JP2780508B2 - 燃焼法によるダイヤモンド合成法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼法によるダイヤモン
ド合成法に関し、詳細には、炭化水素系燃料ガスと酸素
とをバーナにて燃焼させ、この燃焼火炎をバーナに対向
させて設けた基板表面に衝突させると共に、該基板を冷
却しつつダイヤモンドを基板上に合成する方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドの人工合成法には、高圧合
成法と低圧気相合成法の二つがある。最近になって低圧
気相合成法の一つとして、燃焼火炎を利用するいわゆる
燃焼法によるダイヤモンド合成法が提案されている。こ
の方法は、例えば図２に示すように、ダイヤモンド析出
用の炭素源としての炭化水素系燃料（例えばアセチレ
ン，エチレン，メタン，プロパン，メタノール，エタノ
ール等）を、酸化剤である純酸素を用いて理論混合比よ
りもはるかに少ない酸素量でバーナ１１により燃焼さ
せ、このような燃焼条件によって火口１３近傍に形成さ
れた特定火炎１２中のフェザと称する火炎１４中へ基板
１５を置くと共に、この基板１５を基板ホルダー１６の
冷却手段により強制的に冷却してその温度を６００〜１
２００℃に保ちつつ該基板１５表面にダイヤモンドを合
成するものであり、ダイヤモンド合成法としては低コス
トな方法と考えられている。

【０００３】ところで本発明者らは、これまで提案され
ている燃焼によるダイヤモンド合成法の多くは基礎実験
的なものであることから、燃焼に使用されるバーナや基
板の冷却方法に問題の有ることを知見し、先にそれらを
改善した発明等（特願平2-111263号，実願平2-43657 号
参照）を行っている。

【０００４】その後本発明者らは、この改良装置を用い
て種々検討を行なった。その結果、燃焼によるダイヤモ
ンド合成法は、結晶粒径の大きなダイヤモンドを合成す
るという点では問題の多い方法であることを知った。即
ち、上記方法によれば結晶粒径が１００〜３００μm 程
度まで成長したところで成長が飽和し、それ以上の時間
をかけてもその後は結晶表面にグラファイトやカーボン
が析出し始め、それ以上の結晶粒径のダイヤモンドの合
成ができなくなることを知った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃焼
法によるダイヤモンド合成法を改善し、より大きい結晶
粒径のダイヤモンドを合成する方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明とは、炭化水素系燃料ガスに酸素を混合しバーナに
て燃焼させ、この燃焼火炎をバーナに対向させて設けた
基板表面に衝突させると共に、該基板を冷却しつつダイ
ヤモンドを基板上に合成する方法において、合成開始以
降時間の経過とともに前記基板への冷却能を高め、ダイ
ヤモンドの結晶表面温度を下げ、ダイヤモンド粒子の成
長速度を低下させる様に制御する点に要旨を有する燃焼
法によるダイヤモンド合成法である。

【０００７】

【作用】本発明が完成されるに至った経緯を図面に従っ
て説明する。図１は、本発明に係るダイヤモンド合成法
に使用される装置（バーナ体）の概要図である。図にお
いて、１はバーナ、２は基板ホルダを夫々示す。バーナ
１は、燃料と酸化剤とを予混合して燃焼するタイプのバ
ーナであって、燃料と酸化剤は予混合された上で混合室
３に入り更に逆火防止板４を経て噴射孔５に供給され
る。尚この例の逆火防止板４は各噴射孔５への流量均等
配分の機能をも有するように形成されている。基板ホル
ダ２上面は、ダイヤモンドを合成するための基板６を置
くために平面に形成され、また該基板は後述する冷却装
置によって冷却される。尚、図中７は燃焼火炎を、Ｌは
バーナ１の先端と基板６の表面との間の距離を示す。

【０００８】本発明者らは、上記図１に示す装置を使用
して、バーナ先端と基板表面との距離Ｌとダイヤモンド
の成長速度との関係を調査した。このときの実験条件
は、燃料としてアセチレンを、また酸化剤として純酸素
を使用し、純酸素／アセチレンの容量比を0.9 〜1.1 と
し、両者の総流量をバーナの噴射孔当たり0.2Nm³/hr と
した。また基板６の冷却手段として、基板ホルダ２の内
腔部に水を供給した場合と空気を供給した場合の夫々を
行った。また合成時間は１時間とした。この実験結果を
図３に示す。

【０００９】図３より明らかなように、水冷法および空
冷法のいずれにおいても距離Ｌが小さいほどダイヤモン
ドの成長速度は大きくなり、１００μm/hr以上のものを
得ることもでき、従来のプラズマＣＶＤ法などに比較す
ると数十〜数百倍となる。また空冷の方が水冷の場合よ
りもダイヤモンドの成長速度は大きいが、その理由は空
冷の場合は基板６の表面温度をダイヤモンド合成にとっ
ての好適温度３００〜１２００℃の範囲の中で、より高
い方で管理することができた為と考えられる。

【００１０】しかしながら、上記知見に基づいて距離Ｌ
を小さく保ちながら長時間にわたってダイヤモンドの合
成をしていても、得られる粒子の大きさには自ずと限界
のあることが明らかとなった。即ち図４の実線カーブに
示すように、距離Ｌ＝１mmになる様に基板６を保持して
水冷した場合には、水冷の効果が高過ぎて基板６の温度
が低めになってダイヤモンドの成長速度が遅くなり、１
時間以上合成しても結晶粒径が１００μm 程度で飽和
し、２時間１５分以上合成させると、結晶表面にグラフ
ァイトやカーボンが析出してダイヤモンドの合成が出来
なくなった。一方図４の１点鎖線カーブに示す様に距離
Ｌ＝２mmとなる様に基板６を保持して空冷した場合に
は、空冷による冷却効果が低いために基板６の温度を高
めに保つことができ、ダイヤモンドの成長速度が速くな
り、ダイヤモンド結晶粒径も約３００μm の大きさまで
成長するが、１時間半以上合成させると水冷の場合と同
様に、結晶表面にグラファイトやカーボンが析出してダ
イヤモンドの合成が出来なくなった。

【００１１】本発明者らは、このようにダイヤモンドの
合成が出来なくなる原因を種々考察し、次の如く推論し
た。即ち、基板上に合成されるダイヤモンドの結晶は、
その表面温度が図５に示すような形態で入熱と出熱とが
熱的にバランスして合成されるものと考えられる。この
ときの入熱としては火炎からの対流と輻射伝熱が、また
出熱としては基板の冷却による結晶下部からの抜熱が考
えられる。ところがこの結晶表面の熱のバランスは、時
間の経過とともに結晶粒径が大きくなるに従って変化
し、上述したように結晶粒径が１５０〜３００μm 程度
になったところで、基板側への抜熱量が比して結晶への
入熱が増加し、結晶表面温度がダイヤモンドを合成する
場合の好適温度３００〜１２００℃の範囲から高温側に
外れ、ダイヤモンドが変質する高温領域に入るためと考
えられる。

【００１２】上述の如き経緯から本発明者らは、結晶粒
径の大きなダイヤモンドを合成するためには、基板上に
合成されるダイヤモンドの結晶表面の温度を制御する必
要があることを見出した。しかしながら、時間当たり百
乃至数百μm しか成長しない結晶表面の温度の変化を測
定することは不可能である。

【００１３】そこで本発明者らは、合成時間をファクタ
ーとして、基板上に合成されるダイヤモンドの結晶表面
の温度を、合成時間の経過とともに入熱または出熱を調
整して制御すればよいとの着想に至った。そして、時間
の経過とともに行われる温度の制御手段の好ましい具体
例として、バーナの燃料ガス中に不活性ガスを混合させ
て結晶表面の温度を低下させることを提案した（特願平
2-205413号）。この技術によって、より大きな結晶粒径
のダイヤモンドが合成できるようになった。そして本発
明者らは、上記技術が完成された後も、上記着想に基づ
き温度制御の為の具体的手段について検討を重ねてき
た。その結果、合成開始以降時間の経過につれて基板へ
の冷却能を高めていけば、ダイヤモンドの結晶表面温度
を低下させることができ、これによって上記技術と同様
に、より大きな結晶粒径のダイヤモンドが合成できるこ
とを見出し、本発明を完成した。

【００１４】本発明を実施するに当たり、基板を冷却す
る為の冷却装置としては、例えば本発明者らが既に提案
した構成のものを挙げることができる（実願平2-43657
号，実願平2-82309 号）。その冷却装置の概要は下記の
通りである。

【００１５】図６は本発明を実施する際に適用できる冷
却装置の断面概要図である。図において、２１は内部が
空洞の冷却箱であって、この冷却箱２１は熱伝導性の良
い材料例えば銅板で構成され、基台２２上の中空支持台
２３により外底を支持して設けられている。また冷却箱
２１を構成する上壁２１ａの外表面は基板６を保持し得
る構成となっている。即ち、冷却箱２１は、図４に示し
た基板ホルダ２に相当するものである。２５はＬ字状に
曲げ加工された冷却媒体供給管であって、該供給管２５
の縦管２５ａは、先端開口部２６が上壁２１ａの内表面
に対向するようにして、冷却箱２１の下壁２１ｂの貫通
孔に摺動リング２７を介して気密に設けられている。一
方供給管２５の横管２５ｂは、途中に流量調整弁２８が
設けられ、その後端はフレキシブル管２９を介して冷却
媒体の供給本管（図示せず）に接続されている。

【００１６】３０は基台２上に固設されたシリンダであ
って、縦管２５ａを上下方向に進退させるものである。
またシリンダ３０のロッド３１の先端には供給管２５の
横管２５ｂが固定されている。３２は冷却箱２１の一側
壁２１ｃに設けられた排出管であって、冷却箱２１内に
給水されて熱交換された後の冷却媒体を、その先端に設
けられたフレキシブル管３３によって所定場所へ排出す
るものである。

【００１７】上記構成からなる冷却装置を使用し、基板
への冷却能を調整するには、例えば(1) シリンダ３０を
作動して縦管２５ａの先端開口部２６と上壁２１ａの内
表面との間隔を適切に制御し、開口部２６から噴出する
冷却媒体の上壁２１ａの内表面への当たり状態を調節す
る、(2) 流量調整弁２８を調整して冷却媒体の流量を調
整する、等によって達成され、これら(1),(2) による冷
却能の調整は微調整には有効である。しかしながら基板
温度を低下させる際に冷却媒体を必要以上に多くするこ
とは不経済であり、装置自体も強固なものにしなければ
ならなくなる。そこで冷却能を大きく変化させたい場合
には、ダイヤモンド合成途中に、冷却媒体の種類を変
え、結晶の成長とともに順次冷却能の高い冷却媒体に変
更すればよい。例えば後記実施例に示す様に、合成初期
には空気を冷却媒体として用い、ある程度の大きさの結
晶核が形成された後は冷却能の大きい水を冷却媒体とし
て用いる。尚こうした冷却媒体の切り換えを行なう際に
も、前記(1),(2) による調節を行なう様にしてもよいの
は勿論である。

【００１８】尚本発明者らは、本発明と同様、より大き
い結晶粒径のダイヤモンドを合成する方法として、前述
した特願平2-205413号の他、バーナの先端と基板表面と
の距離を時間の経過とともに大きくしつつダイヤモンド
を合成する方法（特願平 2-205412号）や、炭化水素系
燃料ガスと酸素の混合容量比（酸素／炭化水素系燃料）
を合成開始以降時間の経過とともに増大させる方法（特
願平2-244503号）等も提案している。本発明方法は、上
記各方法を組合わせて行なうことにより、細かな制御が
可能となり、より良質の大粒径のダイヤモンド合成が可
能となる。

【００１９】

【実施例】図１および図６に示した装置を使用し、下記
の手順に従ってダイヤモンド合成を行なった。まずバー
ナ１の先端と基板表面との距離Ｌを２mmに設定するとと
もに、炭化水素系燃料ガスとしてアセチレン、酸化剤と
して純酸素を使用し、純酸素／アセチレンの容量比を0.
9 〜1.1 とし、両者の総流量をバーナの噴射孔当たり0.
2Nm³/hr とし、下記の冷却条件のもとで冷却しつつダイ
ヤモンド合成を行なった。基板の冷却として、合成初期
の約３０分は基板ホルダ２に空気を供給して空冷し、速
やかにダイヤモンド結晶核を形成し、その後は水冷に切
り換え冷却能を高めて合成を行なった。尚この様な冷却
媒体の切り換えによれば、図７に示す様に、基板温度を
約７００℃から５５０℃へ変化させたことになる。そし
て６時間の合成によって、約５００μm の粒径の結晶性
のよいダイヤモンドが合成できた。この実施例の結果
を、前記図４に従来の場合と比較して示す。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明に係る燃焼法に
よるダイヤモンド合成方法によれば、経済的に、より大
きな結晶粒径のダイヤモンドが合成できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るダイヤモンド合成法に適用される
装置（バーナ体）の概要図である。

【図２】燃焼法によるダイヤモンド合成法の原理を説明
する為の図である。

【図３】バーナの先端と基板表面の距離Ｌと、ダイヤモ
ンド成長速度との関係を示すグラフである。

【図４】ダイヤモンドの合成時間と結晶粒径の関係を示
すグラフである。

【図５】基板上に合成されるダイヤモンドにおける熱バ
ランスを説明する為の模式図である。

【図６】本発明に係るダイヤモンド合成の際の基板の冷
却装置の構成を示す断面概要図である。

【図７】冷却媒体の切り換えによる基板温度変化を説明
する為の図である。

【符号の説明】

１，１１ バーナ ２，１６ 基板ホルダ ６，１５ 基板 ２１ 冷却箱 ２５ 冷却媒体供給管

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素系燃料ガスに酸素を混合しバー
   ナにて燃焼させ、この燃焼火炎をバーナに対向させて設
   けた基板表面に衝突させると共に、該基板を冷却しつつ
   ダイヤモンドを基板上に合成する方法において、合成開
   始以降時間の経過とともに前記基板への冷却能を高め、
   ダイヤモンドの結晶表面温度を下げ、ダイヤモンド粒子
   の成長速度を低下させる様に制御することを特徴とする
   燃焼法によるダイヤモンド合成法。