JP2762561B2 - Method of synthesizing diamond film - Google Patents

Method of synthesizing diamond film

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 プラズマジェットによるダイヤモンド膜の合成方法に
関し、 硬度の優れたダイヤモンド膜を形成することを目的と
し、 排気系により反応室の真空排気を行いながら、該反応
室に設けた陽極と陰極との間に炭化水素ガスと水素ガス
との混合ガスを供給し、アーク放電により炭素のプラズ
マジェットを発生させ、被処理基板上にダイヤモンド膜
の形成を行う際に、前記プラズマジェット中に非ダイヤ
モンドの炭素成分と結合して硬質の炭化物の形成が可能
なタングステン,モリブデン,シリコン,チタンの内の
何れかの元素粉末を添加することによりダイヤモンド膜
の合成方法を構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] The present invention relates to a method for synthesizing a diamond film by a plasma jet, with the object of forming a diamond film having excellent hardness. When a mixed gas of a hydrocarbon gas and a hydrogen gas is supplied between the provided anode and cathode, a plasma jet of carbon is generated by arc discharge, and when forming a diamond film on a substrate to be processed, the plasma A method for synthesizing a diamond film is constituted by adding any element powder of tungsten, molybdenum, silicon and titanium capable of forming a hard carbide by combining with a non-diamond carbon component in a jet.

〔産業上の利用分野〕[Industrial applications]

本発明は優れた硬度をもつダイヤモンド膜の合成方法
に関する。
The present invention relates to a method for synthesizing a diamond film having excellent hardness.

ダイヤモンドは炭素(C)の同素体であり、所謂るダ
イヤモンド構造を示し、硬度10,000Kg/mm2と大きく、ま
た熱伝導度は2000W/mKと他の物質に較べて格段に優れて
いる。
Diamond is an allotrope of carbon (C), exhibits a so-called diamond structure, has a hardness of 10,000 kg / mm 2, and has a thermal conductivity of 2000 W / mK, which is much better than other substances.

そこで、この特性を利用して各種の用途が開発されて
いる。
Therefore, various uses have been developed utilizing this characteristic.

すなわち、熱伝導度の高いのを利用してLSI,VLSLある
いはレーザなど半導体素子のヒートシンク(Heat−sin
k)の構成材として着目されている。
In other words, by utilizing the high thermal conductivity, heat sinks (Heat-sin
Attention has been paid to the constituent material of k).

また、硬度の高いのを利用してドリルの刃やバイトに
使用することが考えられており、タングステン・カーバ
イト(WC)など高硬度な焼結合金からなるこれら工具の
上に被覆して使用することが試みられている。
In addition, it is considered to be used for drill blades and cutting tools by utilizing its high hardness, and it is used by coating these tools made of high-hardness sintered alloy such as tungsten carbide (WC). Have been tried to.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

先に記したように、ダイヤモンドは硬度が高いのを利
用して工具の上に被覆して使用することが試みられてい
る。
As described above, it has been attempted to coat diamond on a tool by utilizing its high hardness.

さて、ダイヤモンドの合成法としては高圧合成法と低
圧合成法が知られている。
Now, a high-pressure synthesis method and a low-pressure synthesis method are known as diamond synthesis methods.

こゝで、高圧合成法は比較的サイズの大きな単結晶を
育成するのに適した方法であるが、装置が大掛かりであ
り、成長速度が著しく遅く、そのためにコストが高くつ
くと云う問題がある。
Here, the high-pressure synthesis method is a method suitable for growing a single crystal having a relatively large size, but has a problem that the apparatus is large-scale, the growth rate is extremely slow, and the cost is high. .

これに対し、低圧合成法にはマイクロ波プラズマ化学
気相成長法や電子線照射化学気相成長法などが知られて
おり、成長速度が前者に較べて著しく速く、被処理基板
上に微結晶の形で製膜できる点に特徴がある。
On the other hand, low-pressure synthesis methods such as microwave plasma chemical vapor deposition and electron beam irradiation chemical vapor deposition are known, and the growth rate is significantly higher than the former, and microcrystals are deposited on the substrate to be processed. The feature is that the film can be formed in the form of

発明者等は第1図に示すようなプラズマジェット化学
気相成長装置(略してプラズマジェットCVD装置)を使
用してダイヤモンド膜の化学気相成長(略してCVD成
長)に成功している。
The inventors have succeeded in chemical vapor deposition (abbreviated CVD growth) of a diamond film using a plasma jet chemical vapor deposition apparatus (abbreviated plasma jet CVD apparatus) as shown in FIG.

いま、簡単にこの装置の構成と動作を述べると次のよ
うになる。
Now, the configuration and operation of this device will be briefly described as follows.

銅(Cu)のようにカーバイトを作らない金属板1を冷
却水2によって水冷された載置台3の上に載置する。
A metal plate 1 such as copper (Cu) that does not form a carbide is placed on a mounting table 3 that is water-cooled with cooling water 2.

こゝで、反応室4の上部にはプラズマジェット5を形
成するための陽極6と陰極7があり、この間を通って原
料ガス8が供給され、また金属層の形成を可能とするた
めに粉末供給パイプ9が陽極6の先端に開口している。
Here, an anode 6 and a cathode 7 for forming a plasma jet 5 are provided at an upper portion of the reaction chamber 4, a raw material gas 8 is supplied therebetween, and a powder is formed for enabling a metal layer to be formed. A supply pipe 9 opens at the tip of the anode 6.

また、陽極6と陰極7を繋いで直流電源10があり、反
応室4の下部には排気口11がある。
In addition, there is a DC power supply 10 connecting the anode 6 and the cathode 7, and an exhaust port 11 is provided below the reaction chamber 4.

ダイヤモンドのCVD成長を行うには陽極6と陰極7の
間から水素(H2)と炭化水素、例えばメタン(CH4)と
の混合ガスを原料ガス8として反応室4の中に供給する
と共に、排気系を動作して排気口11より排気し、反応室
4の中を低真空に保持した状態で陽陰極間にアーク放電
12を生じさせ、この熱により原料ガス8を分解させてプ
ラズマ化させると、炭素プラズマを含むプラズマジェッ
ト5は金属板1に当たり、微結晶からなるダイヤモンド
膜13が金属板1の上に成長する。
In order to carry out CVD growth of diamond, a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and a hydrocarbon, for example, methane (CH 4 ) is supplied as a source gas 8 into the reaction chamber 4 from between the anode 6 and the cathode 7. The evacuation system is operated to evacuate from the exhaust port 11, and arc discharge is performed between the positive and negative electrodes while the inside of the reaction chamber 4 is maintained at a low vacuum.
When the source gas 8 is decomposed into plasma by this heat, the plasma jet 5 containing carbon plasma hits the metal plate 1, and the diamond film 13 made of microcrystals grows on the metal plate 1.

また、金属とダイヤモンドとの混合膜を成長させるに
は粉末供給パイプ9を通じで金属粉をアーク放電12の中
に供給すればよく、金属膜のみを成長させるには原料ガ
ス8としてH2を用い、粉末供給パイプ9を通じて金属粉
をアーク放電12の中に供給すればよい。
In order to grow a mixed film of metal and diamond, metal powder may be supplied into the arc discharge 12 through a powder supply pipe 9. To grow only a metal film, H 2 is used as a source gas 8. The metal powder may be supplied into the arc discharge 12 through the powder supply pipe 9.

このように第1図に示すようなCVD装置を使用する
と、ダイヤモンド膜13は勿論、金属膜や金属とダイヤモ
ンドとの混合膜も形成することも可能となる。
Thus, when the CVD apparatus as shown in FIG. 1 is used, not only the diamond film 13 but also a metal film or a mixed film of metal and diamond can be formed.

さて、プラズマジェットCVDにより、ダイヤモンド膜
が成長する理由としては、CH4などの炭化水素はアーク
放電領域で急速に高温度にまで加熱されて分解し、プラ
ズマジェットとなって噴射され、金属板1に衝突してエ
ネルギーを失い、ダイヤモンドとして結晶化するもので
ある。
The reason why a diamond film grows by plasma jet CVD is that hydrocarbons such as CH 4 are rapidly heated to a high temperature in an arc discharge region to be decomposed and ejected as a plasma jet. And loses energy by colliding with it, and crystallizes as diamond.

然し、この際に炭化水素を構成する総ての炭素(C)
がダイヤモンドになる訳ではなく、かなりの成分が非晶
質の炭素あるいはグラファイトとして金属板の上に析出
するが、原料ガス8として炭化水素と共に混合してある
水素(H2)ガスにより、非晶質の炭素或いはグラファイ
トからなる非ダイヤモンド成分はCH4,C2H6…などの炭化
水素に還元され、ガスとして除去されている。
However, at this time, all carbon (C) constituting hydrocarbons
Does not become diamond, but a considerable amount of components is deposited on the metal plate as amorphous carbon or graphite. However, as a raw material gas 8, hydrogen (H 2 ) gas mixed with hydrocarbons makes amorphous gas. Non-diamond components consisting of high quality carbon or graphite are reduced to hydrocarbons such as CH 4 , C 2 H 6, etc. and removed as gas.

然し、現実にはH2ガスによる除去作用は完全ではな
く、プラズマジェットCVD法により形成される殆どのダ
イヤモンド膜について、これら非ダイヤモンド成分が検
出されており、これが硬度減少の原因となっていた。
However, in reality, the removal action by H 2 gas is not perfect, and these non-diamond components are detected in most diamond films formed by the plasma jet CVD method, which causes a decrease in hardness.

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

先に記したように、ダイヤモンドは硬度が10,000Kg/c
m2と大きなことから、各種工具呑コーティング材として
着目されているが、プラズマジェットCVD法によって得
られるダイヤモンド膜の中には非晶質炭素あるいはグラ
ファイトが混入しており、これにより硬度が充分でない
ことが問題であり、この解決が課題である。
As noted earlier, diamond has a hardness of 10,000 kg / c
From big and m 2, it has been attracting attention as various tools呑coating material, in the diamond film obtained by the plasma jet CVD method is amorphous carbon or graphite is mixed, thereby the hardness is not sufficient This is the problem, and the solution is the challenge.

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

上記課題は、排気系により反応室の真空排気を行いな
がら、該反応室に設けた陽極と陰極との間に炭化水素ガ
スと水素ガスとの混合ガスを供給し、アーク放電により
炭素のプラズマジェットを発生させるプラズマジェット
化学気相成長方法によって、被処理基板上にダイヤモン
ド膜の形成を行う際に、前記プラズマジェット中に非ダ
イアモンドの炭素成分と結合して硬質の炭化物の形成が
可能なタングステン,モリブデン,シリコン,チタンの
内の何れかの元素粉末を添加するダイヤモンド膜の合成
方法により解決することができる。
The object is to supply a mixed gas of a hydrocarbon gas and a hydrogen gas between an anode and a cathode provided in the reaction chamber while evacuating the reaction chamber by an exhaust system, and to perform a plasma jet of carbon by arc discharge. When a diamond film is formed on a substrate to be processed by a plasma jet chemical vapor deposition method of generating a tungsten, tungsten capable of forming a hard carbide by combining with a non-diamond carbon component in the plasma jet, The problem can be solved by a method of synthesizing a diamond film to which any one of elemental powders of molybdenum, silicon and titanium is added.

〔作用〕[Action]

本発明は第1図に示すプラズマジェットCVD装置を用
いてダイヤモンド膜を形成する際に粉末供給パイプから
硬質の炭化物を作り得るW,Mo,Si,Tiなどの粉末を添加
し、非晶質炭素やグラファイトなどの非ダイヤモンド成
分と反応させて炭化タングステン(WC,硬度2200 kg/m
m2),炭化モリブデン(Mo2C,硬度1800 kg/mm2),炭化
珪素(SiC,硬度2300 kg/mm2),炭化チタン(TiC,硬度3
000 kg/mm2)などの硬質のカーバイトを形成するもので
ある。
In the present invention, when a diamond film is formed by using the plasma jet CVD apparatus shown in FIG. 1, a powder such as W, Mo, Si, or Ti capable of forming a hard carbide is added from a powder supply pipe to form an amorphous carbon. Tungsten carbide (WC, hardness 2200 kg / m
m 2 ), molybdenum carbide (Mo 2 C, hardness 1800 kg / mm 2 ), silicon carbide (SiC, hardness 2300 kg / mm 2 ), titanium carbide (TiC, hardness 3
000 kg / mm 2 ).

すなわち、非晶質炭素やグラファイトなどの炭素はダ
イヤモンドに較べるとエネルギー的には活性化されてい
ることからプラズマ状態の金属元素のラジカルと選択的
に結合して硬質なカーバイトが形成される。
That is, since carbon such as amorphous carbon and graphite is activated in terms of energy as compared with diamond, it selectively binds to radicals of a metal element in a plasma state to form hard carbide.

このように、本発明はプラズマジェットCVD法で原料
ガスとしてCH4のような炭化水素とH2ガスとの混合ガス
を用いてダイヤモンド膜を成長する際に、H2ガスの還元
除去作用が充分に行われずにダイヤモンド多結晶膜の中
に少量ながら混在している非ダイヤモンド成分を硬質の
カーバイトに変質させることにより硬度を向上するもの
である。
Thus, the present invention in growing the diamond film using the mixed gas of hydrocarbon and H 2 gas such as CH 4 as a source gas by plasma jet CVD method, sufficient reduction and removal action of the H 2 gas is The hardness is improved by changing non-diamond components, which are mixed in a small amount in the polycrystalline diamond film, into hard carbide without being performed.

〔実施例〕〔Example〕

第1図に示すCVD装置を用い、金属板1としてWCにCo
が8%添加されている超硬合金を使用した。
Using the CVD apparatus shown in FIG.
Was used in which 8% was added.

こゝで、原料ガス8の供給条件として、水素(H2)ガ
スの流量を10〜50/分,メタン(CH4)ガスの流量を
0.05〜1/分の範囲で変えて供給し、また金属粉とし
ては粒径が1〜5μmのW粉を粉末供給パイプ9から0.
01〜0.1cc/時の割合で供給した。
Here, as the supply conditions of the raw material gas 8, the flow rate of hydrogen (H 2 ) gas is 10 to 50 / min, and the flow rate of methane (CH 4 ) gas is
The powder is supplied while changing in the range of 0.05 to 1 / min.
It was supplied at a rate of 01 to 0.1 cc / hour.

次に、CVD成長が可能な条件は、反応室4の真空度は1
kPa〜10kPa,アーク電流値は10〜70Aまたアーク電圧値は
50〜150Vの範囲である。
Next, the conditions under which CVD growth is possible are as follows.
kPa ~ 10kPa, arc current value is 10 ~ 70A and arc voltage value is
It is in the range of 50-150V.

第2図は添加物としてWを供給して得た膜のラマンス
ペクトル14と添加物のない膜のラマンスペクトル15を示
しているが、同図から判るように添加物のない膜のスペ
クトル15には1500cm-1付近に非晶質炭素の幅広いピーク
が観察されている。
FIG. 2 shows a Raman spectrum 14 of a film obtained by supplying W as an additive and a Raman spectrum 15 of a film without an additive. As can be seen from FIG. A broad peak of amorphous carbon is observed at around 1500 cm -1 .

一方、Wを供給して得た膜のスペクトル14には1333cm
-1のダイヤモンドの鋭いピークが観察でき、また1500cm
-1付近の非晶質炭素のピークは非常に低くなっている。
On the other hand, the spectrum 14 of the film obtained by supplying W
-1 diamond sharp peak can be observed and 1500cm
The peak of amorphous carbon near -1 is very low.

このようにして合成されたダイヤモンド膜はラマン分
光の散乱から非ダイヤモンド成分の含有が極めて少ない
ことが確認できた。
It was confirmed from the Raman spectroscopy that the diamond film thus synthesized contained very little non-diamond components.

また、このようにして形成したダイヤモンド膜の硬度
は約10,000kg/mm2と天然のダイヤモンドに近似してい
た。
The hardness of the diamond film thus formed was about 10,000 kg / mm 2, which was close to that of natural diamond.

なお、金属粉としてMo,SiおよびTiのぞれぞれを粉末
供給パイプ9から供給してカーバイトを形成させた場合
もダイヤモンド膜の形成条件は同様であって、WC形成の
場合と類似した硬度のダイヤモンド膜を得ることができ
た。
The conditions for forming the diamond film were the same when the carbide was formed by supplying each of Mo, Si and Ti from the powder supply pipe 9 as the metal powder, and was similar to the case of the WC formation. A diamond film with hardness was obtained.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば非晶質の炭素やグラファイトなど非ダ
イヤモンド成分の少ないダイヤモンド膜を合成すること
が容易であり、本発明の実施により、低コストでダイヤ
モンド工具を提供することができる。
According to the present invention, it is easy to synthesize a diamond film having a small amount of non-diamond components such as amorphous carbon and graphite. By implementing the present invention, a diamond tool can be provided at low cost.

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

第1図は本発明に使用したプラズマジェットCVD装置の
構成図、 第2図はラマンスペクトル分布図、 である。 図において、 4は反応室、5はプラズマジェット、 6は陽極、7は陰極、 8は原料ガス、9は粉末供給パイプ、 12はアーク放電、13はダイヤモンド膜、 である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma jet CVD apparatus used in the present invention, and FIG. 2 is a Raman spectrum distribution diagram. In the figure, 4 is a reaction chamber, 5 is a plasma jet, 6 is an anode, 7 is a cathode, 8 is a raw material gas, 9 is a powder supply pipe, 12 is an arc discharge, and 13 is a diamond film.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】排気系により反応室の真空排気を行いなが
ら、該反応室に設けた陽極と陰極との間に炭化水素ガス
と水素ガスとの混合ガスを供給し、アーク放電により炭
素のプラズマジェットを発生させるプラズマジェット化
学気相成長方法によって、被処理基板上にダイヤモンド
膜の形成を行う際に、前記プラズマジェット中に非ダイ
アモンドの炭素成分と結合して硬質の炭化物の形成が可
能なタングステン,モリブデン,シリコン,チタンの内
の何れかの元素粉末を添加することを特徴とするダイヤ
モンド膜の合成方法。
A reaction system comprising a reaction chamber and a mixed gas of a hydrocarbon gas and a hydrogen gas supplied between an anode and a cathode provided in the reaction chamber while evacuating the reaction chamber by an evacuation system. When a diamond film is formed on a substrate to be processed by a plasma jet chemical vapor deposition method that generates a jet, tungsten capable of forming a hard carbide by combining with a non-diamond carbon component in the plasma jet is used. A method for synthesizing a diamond film, comprising adding an elemental powder of any one selected from the group consisting of molybdenum, silicon, and titanium.
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