JP3212057B2 - Diamond coated substrate and method for producing the same - Google Patents

Diamond coated substrate and method for producing the same

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JP3212057B2
JP3212057B2 JP23843194A JP23843194A JP3212057B2 JP 3212057 B2 JP3212057 B2 JP 3212057B2 JP 23843194 A JP23843194 A JP 23843194A JP 23843194 A JP23843194 A JP 23843194A JP 3212057 B2 JP3212057 B2 JP 3212057B2
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通文 丹花
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、切削チップ、ドリルお
よびエンドミルなどの工具に用いられるダイヤモンド皮
膜およびその製造方法に関する。より詳細には、皮膜形
成中にダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を相殺して反
りの無い平坦な形状としたダイヤモンド被覆基体、また
は基体から剥離したダイヤモンド皮膜、およびその製造
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond coating used for tools such as cutting tips, drills and end mills, and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a diamond-coated substrate having a flat shape without warpage by canceling internal stress generated in the diamond film during film formation, or a diamond film peeled from the substrate, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドの気相合成法の開発によ
り、切削チップ、ドリルおよびエンドミルなどの工具基
体に、気相合成によりダイヤモンドを被覆したダイヤモ
ンド被覆工具の開発が精力的に進められている。工具用
の基体に直接気相からダイヤモンド皮膜を形成する場
合、方法によっては基体の材質とダイヤモンドとの熱膨
張率の相違に起因する応力、すなわち、基体にダイヤモ
ンド皮膜を被覆する際、および被覆後に冷却する際の温
度差から生じる残留応力により、ダイヤモンド皮膜が基
体から剥離し、実用に供し難い。一方、予め特定の基体
に、気相合成法によりダイヤモンドを被覆した後、得ら
れたダイヤモンド被覆基体を、基体と工具が当接するよ
うに工具にロウ付けする方法、あるいはダイヤモンド面
と工具が当接するように工具にロウ付けした後、基体を
研磨除去する方法、またはダイヤモンド被覆基体からダ
イヤモンド皮膜を剥離し、ダイヤモンド皮膜のみを工具
にロウ付けする方法なども行われている。これらの方法
においては、ダイヤモンド皮膜の膜厚を厚くするほど残
留応力が増大し、基体が薄い場合はダイヤモンド被覆基
体に反りが生じる。反りが生じると、皮膜面を平坦に研
磨する際に手間がかかる、あるいは工具にロウ付けする
際にダイヤモンド皮膜が割れやすくなる、など不都合な
点が多くなる。基体にダイヤモンド皮膜を形成させる際
に、密着性を向上させることを目的として皮膜形成を複
数段階で行い、析出皮膜を多層構造とした、例えば特開
平1-167211号公報、特開平3-197677号公報、および特開
平 4-99278号公報が開示され、さらに、ダイヤモンド皮
膜を形成させる際の、皮膜の反りを防止した特開平5-30
6195号公報が開示されている。
2. Description of the Related Art With the development of a vapor phase synthesis method of diamond, a diamond coated tool in which a tool base such as a cutting tip, a drill and an end mill is coated with diamond by vapor phase synthesis has been vigorously developed. When a diamond film is formed directly from the gas phase on a tool substrate, depending on the method, stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the material of the substrate and diamond, that is, when coating the substrate with the diamond film, and after coating, The diamond film peels off from the substrate due to the residual stress generated by the temperature difference during cooling, and is hardly practical. On the other hand, after coating a specific substrate with diamond in advance by a vapor phase synthesis method, a method of brazing the obtained diamond-coated substrate to a tool so that the substrate and the tool are in contact with each other, or the diamond surface and the tool are in contact with each other. As described above, a method of polishing and removing the substrate after brazing to the tool or a method of peeling the diamond film from the diamond-coated substrate and brazing only the diamond film to the tool are also performed. In these methods, the residual stress increases as the thickness of the diamond film increases, and when the substrate is thin, the diamond-coated substrate warps. When warpage occurs, it takes many troubles to polish the film surface flat, or the diamond film tends to be broken when brazing to a tool, which causes many disadvantages. When forming a diamond film on a substrate, the film is formed in multiple stages for the purpose of improving adhesion, and the deposited film is formed into a multilayer structure, for example, JP-A 1-167211 and JP-A 3-197677. And Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-99278, and further disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No.
No. 6195 is disclosed.

【0003】特開平1-167211号公報は、非晶質炭素の含
有率が多いダイヤモンドライク炭素層と、非晶質炭素の
含有率が少ないダイヤモンドライク炭素層からなる、膜
応力が小さく、表面平滑性に優れたダイヤモンドライク
炭素膜およびその合成方法を開示している。この発明
は、レンズや窓のコーティング、磁気ディスクの保護皮
膜として、平滑な表面および高い光透過率を有するダイ
ヤモンドライク炭素膜を得ることを目的としており、基
板の温度、マイクロ波や高周波等の電磁波エネルギ、炭
素源の濃度、反応圧力を周期的に変えることにより、非
晶質炭素の含有率が多いダイヤモンドライク炭素層と、
非晶質炭素の含有率が少ないダイヤモンドライク炭素層
を交互に層状に析出させたダイヤモンドライク炭素膜を
得ている。しかし、この発明は平滑な表面、および高い
光透過率を有するダイヤモンドライク炭素膜を得ること
を目的としており、皮膜形成後にラッピングなどの表面
研磨を施さずに表面平滑性に優れた皮膜を得るために、
最表面層は表面平滑性には優れるが、硬度が低い非晶質
炭素の含有率が多いダイヤモンドライク炭素層とする必
要があるため、本発明の目的とする、工具用の硬質皮膜
層として使用するには耐摩耗性が不十分であり、適して
いない。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-167211 discloses a diamond-like carbon layer having a high amorphous carbon content and a diamond-like carbon layer having a low amorphous carbon content. A diamond-like carbon film having excellent properties and a method for synthesizing the same are disclosed. An object of the present invention is to obtain a diamond-like carbon film having a smooth surface and a high light transmittance as a coating for a lens or a window, or a protective film for a magnetic disk. By periodically changing the energy, the concentration of the carbon source, and the reaction pressure, a diamond-like carbon layer having a high amorphous carbon content,
A diamond-like carbon film in which diamond-like carbon layers having a low content of amorphous carbon are alternately deposited in layers is obtained. However, the present invention aims to obtain a diamond-like carbon film having a smooth surface and high light transmittance, and to obtain a film having excellent surface smoothness without performing surface polishing such as lapping after forming the film. To
The outermost surface layer is excellent in surface smoothness, but needs to be a diamond-like carbon layer with a low content of amorphous carbon with low hardness, so it is used as a hard coating layer for tools, which is the object of the present invention. Has insufficient wear resistance and is not suitable.

【0004】特開平3-197677号公報は、超硬合金、サー
メット、窒化珪素焼結体、または酸化アルミニウム焼結
体の基材に、第一層中の不純物組成が第二層中の不純物
より高く、第一層中のダイヤモンド粒子径が第二層中の
ダイヤモンド粒子径より小さい、複数層からなるダイヤ
モンドを被覆したダイヤモンドコーティング工具、およ
びその製造方法を開示している。この発明は第一層の皮
膜形成をフィラメントCVD法を用いて成膜した後、第
二層の皮膜形成をプラズマCVD法を用いて成膜すると
いう、それぞれ別工程での成膜を行う必要があり、生産
性に欠けるとともに、第一層の皮膜形成後に皮膜表面に
塵芥などの不純物が付着し、第二層の皮膜に欠陥を生じ
るおそれがある、といった問題を有している。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-197677 discloses that the composition of impurities in a first layer is lower than that in a second layer in a substrate of a cemented carbide, a cermet, a silicon nitride sintered body, or an aluminum oxide sintered body. A diamond coating tool coated with multiple layers of diamond having a high diamond particle diameter in the first layer and smaller than the diamond particle diameter in the second layer, and a method for producing the same are disclosed. According to the present invention, it is necessary to form the first layer by using a filament CVD method and then form the second layer by using a plasma CVD method. In addition, there is a problem that the productivity is low and impurities such as dust adhere to the surface of the film after the formation of the film of the first layer, which may cause defects in the film of the second layer.

【0005】特開平 4-99278号公報は、ダイヤモンド以
外の炭素成分を含むダイヤモンド被覆層と、ダイヤモン
ド以外の炭素成分を含まないダイヤモンド被覆層を、各
1層以上を有する0.5〜 200μmの厚さの複層のダイヤモ
ンド被覆層を、硬質材料に形成したダイヤモンド被覆工
具部材を開示している。この発明はダイヤモンド以外の
炭素成分を含まないダイヤモンド層と基材の間に、ダイ
ヤモンドと同じ成分の炭素成分を不定形炭素の型で含
む、靱性に富んだダイヤモンド層を設けることにより、
皮膜層全体に受ける衝撃を緩和し、耐剥離性と耐摩耗性
を兼備させようとするものである。しかし、皮膜の厚さ
の増加にともなって、皮膜中に生じる応力が増加し、皮
膜が剥離しやすくなる、という問題を有している。
JP-A-4-99278 discloses a diamond coating layer containing a carbon component other than diamond and a diamond coating layer containing no carbon component other than diamond, each having at least one layer having a thickness of 0.5 to 200 μm. A diamond-coated tool member in which a plurality of diamond coating layers are formed on a hard material is disclosed. The present invention provides a diamond layer rich in toughness between a diamond layer containing no carbon component other than diamond and a substrate, containing a carbon component of the same component as diamond in the form of amorphous carbon.
The purpose of the present invention is to reduce the impact applied to the entire coating layer and to achieve both peeling resistance and abrasion resistance. However, there is a problem that as the thickness of the film increases, the stress generated in the film increases, and the film tends to peel off.

【0006】特開平5-306195号公報は、ダイヤモンド皮
膜を析出させる基材の成膜面を、基材から取り外して得
られるダイヤモンド薄膜中に予見される内部引張応力を
補償するような曲率半径を有する凸形状とし、基材から
取り外された薄膜は、基材の湾曲と反対方向に反ること
によって、その内部引張応力を解放し、平坦なものとす
るCVDダイヤモンド薄膜の製造法を開示している。こ
の発明は、基材にダイヤモンド皮膜を析出させる際に皮
膜内の内部応力によって生じる皮膜の反りの程度を予め
予測し、皮膜を基材から剥離し内部応力を開放した後に
平坦な皮膜となるように、予め基材を皮膜の反りを相殺
する程度に凸面状としておくことを特徴とするものであ
る。しかし、皮膜中に生じる内部応力は成膜速度が速い
ほど大きくなるなど、ダイヤモンド皮膜の成膜装置、成
膜条件によって変化するため、基材の凸面の程度に応じ
てダイヤモンド皮膜の成膜条件を厳密に制御する必要が
あり、実用性に乏しい。
[0006] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-306195 discloses that a film-forming surface of a substrate on which a diamond film is deposited has a radius of curvature that compensates for the internal tensile stress expected in a diamond thin film obtained by removing the film from the substrate. Disclosed is a method of manufacturing a CVD diamond thin film that has a convex shape and has a thin film removed from a substrate, which is released from its internal tensile stress by warping in a direction opposite to the curvature of the substrate to release its internal tensile stress. I have. The present invention predicts in advance the degree of warpage of a film caused by internal stress in a film when depositing a diamond film on a substrate, and forms a flat film after peeling the film from the substrate and releasing the internal stress. In addition, the base material is characterized in that the base material is formed in a convex shape so as to cancel the warpage of the film in advance. However, since the internal stress generated in the film changes depending on the film forming apparatus and the film forming conditions, such as the increase in the film forming speed as the film forming speed increases, the film forming conditions of the diamond film should be adjusted according to the degree of the convex surface of the base material. It needs to be strictly controlled and is not practical.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は5〜2000μmの
厚さのダイヤモンド皮膜を気相合成法を用いて皮膜に反
りを生じさせることなく成膜し、成膜後の皮膜面を平坦
にする研磨が容易で、かつ工具にロウ付けする際に皮膜
が割れにくい、密着性に優れたダイヤモンド被覆基体お
よびその製造方法を提供することを課題としている。
SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, a diamond film having a thickness of 5 to 2000 μm is formed using a vapor phase synthesis method without warping the film, and the film surface after the film formation is made flat. An object of the present invention is to provide a diamond-coated substrate which is easy to be polished, is hardly cracked when brazed to a tool, and has excellent adhesion, and a method for producing the same.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本願発明は、気相合成法
によりシリコン、モリブデンのいずれかの1種のウェハ
である基体上にダイヤモンド皮膜を形成させる工程にお
いて、基体温度を変化させることにより、基体上に形成
されるダイヤモンド皮膜内部に生じる応力状態を変化さ
せ、ダイヤモンド皮膜内部に圧縮応力と引張応力を交互
に生じさせてダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を相殺
し、ダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦な形状とす
ることを特徴とするダイヤモンド皮膜の製造方法、およ
びシリコン、モリブデンのいずれかの1種のウェハを基
体とし、気相合成法により製造されるダイヤモンド被覆
基体の平坦度が曲率半径で8m以上であり、ダイヤモンド
皮膜の厚さが5〜2000μmであるダイヤモンド被覆基体を
提供するものである。本願発明において、同一成分、同
一濃度の作動気体中で、同一のマイクロ波出力を用いて
ダイヤモンド皮膜を形成させた場合に、ある一定の基体
温度を境にして皮膜中に生じる内部応力が引張応力から
圧縮応力に、あるいは圧縮応力から引張応力に逆転する
ことが判明した。その結果、ダイヤモンド皮膜形成中に
圧縮応力が生じる基体温度で成膜した後引き続いて基体
温度を変化させ、皮膜形成中に引張応力が生じる基体温
度で成膜するか、あるいは、上記とは反対の基体の加熱
サイクルを用いてダイヤモンド皮膜を成膜するか、さら
にはこの加熱サイクルを複数回繰り返して皮膜中に生じ
る引張応力と圧縮応力を相殺することによって、皮膜に
反りを生じさせずに厚膜のダイヤモンド皮膜を形成させ
ることが可能であることを導いたものである。
According to the present invention, in a step of forming a diamond film on a substrate which is a wafer of one of silicon and molybdenum by a vapor phase synthesis method, the temperature of the substrate is changed by changing the temperature of the substrate. It changes the stress state generated inside the diamond film formed on the substrate, alternately generates compressive stress and tensile stress inside the diamond film, cancels out the internal stress generated in the diamond film, and flattens the diamond-coated substrate without warpage. And a diamond coated substrate manufactured by a vapor phase synthesis method, wherein the flatness of the diamond coated substrate manufactured by a vapor phase synthesis method is 8 m in a radius of curvature. As described above, the present invention provides a diamond-coated substrate having a diamond film thickness of 5 to 2000 μm. In the present invention, when a diamond film is formed using the same microwave power in the same component and the same concentration of working gas, the internal stress generated in the film at a certain substrate temperature is a tensile stress. It has been found that the pressure is reversed from the compression stress or from the compression stress to the tensile stress. As a result, the film is formed at a substrate temperature at which a compressive stress occurs during the formation of the diamond film, and subsequently the substrate temperature is changed to form a film at a substrate temperature at which a tensile stress occurs during the formation of the film, or as opposed to the above. A diamond film is formed using a heating cycle of the substrate, or by repeating this heating cycle several times to offset the tensile stress and the compressive stress generated in the film, thereby forming a thick film without warping the film. It is possible to form a diamond film.

【0009】以下、本願発明を詳細に説明する。本願発
明の気相合成法によるダイヤモンド皮膜を形成させる基
体としては、シリコン、モリブデン、タングステン、ニ
オブ、鉄、銅、銀、ニッケル、などの金属、黒鉛、ボロ
ンなどの非金属単体、炭化シリコン、炭化タングステン
などの金属炭化物、アルミナ、シリカなどの金属酸化
物、窒化ボロン、窒化シリコンなどの窒化物が使用可能
であるが、基体上に析出するダイヤモンドと膨張係数の
差が小さいものが好ましく、かつ経済性および実用性の
見地からシリコン、またはモリブデンのウェハが本願発
明のダイヤモンド皮膜を形成させる基体として適してい
る。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. Examples of the substrate on which the diamond film is formed by the vapor phase synthesis method of the present invention include metals such as silicon, molybdenum, tungsten, niobium, iron, copper, silver, and nickel; nonmetals such as graphite and boron; silicon carbide; Metal carbides such as tungsten, metal oxides such as alumina and silica, and nitrides such as boron nitride and silicon nitride can be used, but those having a small difference in expansion coefficient from diamond deposited on a substrate are preferable and economical. From the viewpoint of performance and practicality, a silicon or molybdenum wafer is suitable as a substrate on which the diamond film of the present invention is formed.

【0010】つぎに、上記の基体表面をエメリー紙など
を用いて粗面化した後、水素と炭化水素からなる作動気
体中で気相合成法を用いてダイヤモンド皮膜を形成させ
る。気相合成法としてはマイクロ波プラズマCVD法、
フィラメントCVD法、DCプラズマCVD法、RFプ
ラズマCVD法などを適用することができるが、本願発
明には成膜条件の制御が容易なマイクロ波プラズマCV
D法を用いることが好ましい。作動気体の炭素源となる
炭化水素としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンな
どの飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレン
などの不飽和炭化水素、メタノール、ブタノール、イソ
プロパノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエ
チルケトンなどのケトン類、ベンゼン、トルエンなどの
芳香族化合物などが使用可能であるが、経済性、および
実用性の点でメタンの使用が好ましい。これらの炭化水
素は水素に対して1:500〜1:5の体積比率で混合される。
体積比率が 1:500以下であるとダイヤモンド皮膜の析出
速度が極端に小さくなり、1:5 以上になると非ダイヤモ
ンド炭素が共析するようになり好ましくない。場合によ
って、この混合気体に、アルゴンなどの不活性気体をさ
らに混合して希釈することも可能である。混合気体は0.
1〜200Torrの圧力で反応器中に供給される。0.1Torr以
下であるとダイヤモンドが析出せず基体がエッチングさ
れ、200Torr以上であると析出範囲が狭くなり基体全体
にわたる均一な析出が得られなくなる。この作動気体中
で100〜5000Wのマイクロ波出力を印加し、1時間当たり
0.1〜 15μmの成膜速度で基体上にダイヤモンド皮膜を
形成する。マイクロ波出力が100W以下であると皮膜の
析出速度が極端に小さくなり、一方5000W以上では皮膜
の成膜速度は向上するが皮膜中に生じる応力も高くなり
皮膜の反りが大となるため、下記に述べる反りを抑制す
る成膜法を以てしても、反りのない平坦なダイヤモンド
皮膜を得ることが極めて困難になる。
Next, after the above substrate surface is roughened by using emery paper or the like, a diamond film is formed by a gas phase synthesis method in a working gas composed of hydrogen and hydrocarbon. Microwave plasma CVD method as the gas phase synthesis method,
A filament CVD method, a DC plasma CVD method, an RF plasma CVD method, or the like can be applied.
It is preferable to use Method D. Examples of hydrocarbons serving as the carbon source of the working gas include saturated hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and butane; unsaturated hydrocarbons such as ethylene, propylene, and acetylene; alcohols such as methanol, butanol, and isopropanol; acetone, and methyl ethyl ketone. Although ketones and aromatic compounds such as benzene and toluene can be used, use of methane is preferred in terms of economy and practicality. These hydrocarbons are mixed with hydrogen in a volume ratio of 1: 500 to 1: 5.
If the volume ratio is 1: 500 or less, the deposition rate of the diamond film becomes extremely low. In some cases, an inert gas such as argon may be further mixed with the mixed gas for dilution. The gas mixture is 0.
It is fed into the reactor at a pressure of 1 to 200 Torr. If the pressure is less than 0.1 Torr, the diamond is not deposited, and the substrate is etched. Apply microwave power of 100-5000W in this working gas,
A diamond film is formed on a substrate at a film forming speed of 0.1 to 15 μm. When the microwave output is 100 W or less, the deposition rate of the film becomes extremely low.On the other hand, when the microwave output is 5000 W or more, the deposition rate of the film improves, but the stress generated in the film increases and the warpage of the film increases. It is extremely difficult to obtain a flat diamond film without warping even with the film forming method for suppressing warping described in (1).

【0011】そして上述したこれらの皮膜形成条件の範
囲内で、好適なダイヤモンド皮膜が得られる一定条件に
固定し、複数の気相合成段階において基体温度を変化さ
せ、各段階でダイヤモンド皮膜中に生じる圧縮応力また
は引張応力を相殺し、反りのないダイヤモンド皮膜を形
成する。基体温度としては基体の材質、基体温度以外の
成膜条件にもよるが、皮膜に圧縮応力を作用させるため
には600〜850℃、引張応力を作用させるためには880〜1
100℃の範囲とする。基体温度が600℃以下であると析出
速度が極めて小さくなり、1100℃以上では黒鉛が共析す
るようになり、好ましくない。また、気相合成の各段階
で生成する皮膜の厚さの比率がそれぞれ3 倍以内にある
ことが、曲率半径が8m以上の事実上反りの無い皮膜を得
る上で好ましい。皮膜形成後、皮膜表面をラッピング研
磨して平坦化するが、曲率半径が8m以下であると皮膜を
平坦化するための削りしろが極端に大きくなり、コスト
的に不利となると同時に、ラッピングに要する時間も長
大となっるので、曲率半径は8m以上であることが好まし
く、 20m以上であることがより好ましい。皮膜の厚さは
皮膜を被覆した工具の耐摩耗性を十分に確保し、成膜後
に皮膜を平坦に研磨するための研磨しろを確保すること
するために下限を5μmとし、成膜時間に要する時間や経
済的見地から上限を2000μmとする。
Then, within the above-mentioned conditions for forming the film, the conditions are fixed at a suitable level for obtaining a diamond film, and the substrate temperature is changed in a plurality of vapor-phase synthesis steps, and the temperature is generated in the diamond film in each step. Cancels compressive or tensile stress and forms a diamond film without warpage. The substrate temperature depends on the material of the substrate and the film forming conditions other than the substrate temperature, but it is 600 to 850 ° C. for applying a compressive stress to the film, and 880 to 1800 for applying a tensile stress to the film.
Keep it in the range of 100 ° C. When the substrate temperature is 600 ° C. or lower, the deposition rate becomes extremely low, and when the substrate temperature is 1100 ° C. or higher, graphite is eutectoid, which is not preferable. Further, it is preferable that the ratio of the thickness of the film formed in each stage of the vapor phase synthesis be within 3 times in order to obtain a film having a curvature radius of 8 m or more and having virtually no warpage. After the film is formed, the surface of the film is lapped and polished for flattening.If the radius of curvature is 8 m or less, the shaving margin for flattening the film becomes extremely large, which is disadvantageous in terms of cost, and also required for lapping. Since the time becomes long, the radius of curvature is preferably 8 m or more, more preferably 20 m or more. The lower limit of the film thickness is 5 μm to ensure sufficient abrasion resistance of the tool coated with the film, and to secure a margin for polishing the film flat after the film is formed, and the film forming time is required. The upper limit is set to 2000 μm from the viewpoint of time and economy.

【0012】皮膜成形条件を制御してダイヤモンド皮膜
中に生じる内部応力を相殺する方法としては、上記のよ
うに基体温度を変化させる方法以外にも、作動気体の成
分比率、濃度、圧力を変化させる方法、あるいはマイク
ロ波の出力を変化させるなどの方法によっても達成され
るが、本願発明のように、他の変動要因を固定して基体
温度を変化させる方法により、最も確実かつ容易に目的
を達成することができる。
As a method of canceling the internal stress generated in the diamond film by controlling the film forming conditions, other than the method of changing the substrate temperature as described above, the component ratio, concentration, and pressure of the working gas are changed. This can be achieved by a method or a method of changing the output of microwaves. However, as in the present invention, the method of changing the substrate temperature while fixing other variables is the most reliable and easy to achieve the object. can do.

【0013】[0013]

【作用】本願発明においてはダイヤモンド皮膜の気相合
成に際し、作動気体の成分、濃度、圧力およびマイクロ
波出力を一定とし、複数の気相合成段階において基体温
度を変化させ、皮膜中に圧縮応力もしくは引張応力を選
択的に交互に生じさせて圧縮応力と引張応力を相殺する
ことにより、皮膜に反りを生じさせずに厚膜のダイヤモ
ンド皮膜を形成させる。この方法により、ダイヤモンド
被覆基体を反りの無い平坦な形状とすることが可能とな
る。
In the present invention, in the vapor phase synthesis of a diamond film, the component, concentration, pressure and microwave output of the working gas are kept constant, the substrate temperature is changed in a plurality of gas phase synthesis steps, and a compressive stress or By selectively and alternately generating tensile stress to offset the compressive stress and the tensile stress, a thick diamond film is formed without causing the film to warp. According to this method, the diamond-coated substrate can be formed into a flat shape without warpage.

【0014】[0014]

【実施例】以下、実施例にて本発明をさらに詳しく説明
する。 (実施例)ダイヤモンド被覆用の基材として、厚さ0.62
5mm、 25mm角のシリコンウェハ、およびモリブデンウェ
ハを選択した。このウェハの表面を、#240のエメリー紙
で研磨し粗面化した後、アセトン中で超音波洗浄した。
前記の前処理を施したウェハにマイクロ波プラズマCVD
法を用い、出力1150W、水素流量 95SCCM(cm3/分)と
メタン流量 5SCCMからなる雰囲気中90Torrの作動圧力下
で、表1〜4に示す条件で基体を加熱し、ダイヤモンド
皮膜を形成させた。得られたダイヤモンド被覆ウェハの
反り状態は二次元表面粗度計を用いてダイヤモンド被覆
ウェハ面の最大偏差(反り)を測定し、ピタゴラスの定理
を用いて曲率半径を算出して評価した。結果を表5〜8
に示す。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. (Example) As a substrate for diamond coating, a thickness of 0.62
5mm, 25mm square silicon wafer and molybdenum wafer were selected. The surface of the wafer was polished and roughened with # 240 emery paper, and then ultrasonically cleaned in acetone.
Microwave plasma CVD on the pretreated wafer
The substrate was heated under the conditions shown in Tables 1 to 4 in an atmosphere consisting of 1150 W, a hydrogen flow rate of 95 SCCM (cm 3 / min) and a methane flow rate of 5 SCCM under an operating pressure of 90 Torr by using the method, and a diamond film was formed. . The warping state of the obtained diamond-coated wafer was evaluated by measuring the maximum deviation (warpage) of the diamond-coated wafer surface using a two-dimensional surface roughness meter, and calculating the radius of curvature using Pythagorean theorem. Tables 5 to 8 show the results.
Shown in

【0015】[0015]

【表1】 [Table 1]

【0016】[0016]

【表2】 [Table 2]

【0017】[0017]

【表3】 [Table 3]

【0018】[0018]

【表4】 [Table 4]

【0019】[0019]

【表5】 [Table 5]

【0020】[0020]

【表6】 [Table 6]

【0021】[0021]

【表7】 (注)*:膜厚が薄く、切削チップなどに適用した場合耐摩耗性に乏しい。[Table 7] (Note) * : The film thickness is thin, and the abrasion resistance is poor when applied to cutting tips.

【0022】[0022]

【表8】 (注)#:成膜に長大な時間を要し、生産性に乏しい。 [曲率半径測定方法] 測定機器:東京精密(株)製 二次元粗度計 Surfcom 15
00 A 測定方法: 1)測定面:基体ウェハ面あるいは析出したダイヤモンド
皮膜面 2)測定方法および算出方法 基体ウェハ面上あるいは析出したダイヤモンド皮膜面上
の距離:L(2l)を隔てた2点間の反り(最大偏差:h)
を上記の二次元粗度計を用いて測定し、ピタゴラスの定
理を用いる下記の式より曲率半径:Rを算出する。すな
わち (R−h)2 + l2 = R2 より R = (l2
2)/2h
[Table 8] (Note) # : Long time is required for film formation and productivity is poor. [Measurement method of radius of curvature] Measuring equipment: Surfcom 15
00 A Measurement method: 1) Measurement surface: Base wafer surface or deposited diamond film surface 2) Measurement method and calculation method Distance on base wafer surface or deposited diamond film surface: Between two points separated by L (2l) Warpage (maximum deviation: h)
Is measured using the two-dimensional roughness meter described above, and a radius of curvature: R is calculated from the following equation using Pythagorean theorem. That is, from (R−h) 2 + l 2 = R 2 , R = (l 2 +
h 2 ) / 2h

【0023】表5〜6の実施例に示すように、本願発明
のダイヤモンド被覆基体は反りが殆どない平坦な形状で
得られる。一方表7〜8の比較例に示すように、ダイヤ
モンド皮膜を比較例2、および3に示すように1層のみ
で形成させると、皮膜中に生じる内部応力のために皮膜
に反りが生じたり、皮膜が応力に耐えられずに成膜直後
に破壊したりする。また比較例5に示すように、複数層
からなる構造で成膜しても、各層の厚さの比率が 3倍を
越えると皮膜に反りが生じる。また、ダイヤモンド皮膜
の厚さが薄い場合は、切削チップなどに適用した場合に
耐摩耗性に乏しく、一方、比較例6に示すように、 300
0μmもの厚い皮膜を得るには成膜に長大な時間を要し、
生産性に乏しく、実用的ではない。
As shown in Examples of Tables 5 and 6, the diamond-coated substrate of the present invention can be obtained in a flat shape with almost no warpage. On the other hand, as shown in Comparative Examples of Tables 7 and 8, when the diamond film is formed with only one layer as shown in Comparative Examples 2 and 3, the film is warped due to internal stress generated in the film, The film may not be able to withstand stress and may be destroyed immediately after film formation. Further, as shown in Comparative Example 5, even when the film is formed in a structure including a plurality of layers, the film warps when the thickness ratio of each layer exceeds three times. Further, when the thickness of the diamond film is thin, the abrasion resistance is poor when applied to a cutting tip or the like.
It takes a long time to form a film as thick as 0 μm,
Poor productivity and not practical.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上で説明したように、本願発明によ
り、膜厚の厚いダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦
な形状で形成させることが可能となり、成膜後のダイヤ
モンド皮膜面を平坦にする研磨が容易になり、さらに、
皮膜に割れを生じることなく、ダイヤモンド皮膜を工具
にロウ付けすることが可能となった。
As described above, according to the present invention, it is possible to form a diamond-coated substrate having a large thickness in a flat shape without warping, and to polish the diamond film surface after film formation. Is easier, and
The diamond film can be brazed to the tool without causing the film to crack.

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマCVD法により基体上にダイヤ
モンド皮膜を形成させる工程において、形成されるダイ
ヤモンド皮膜内部に圧縮応力と引張応力を交互に生じさ
せることにより、ダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を
相殺し、ダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦な形状
とすることを特徴とする、ダイヤモンド皮膜の製造方
法。
In a step of forming a diamond film on a substrate by a plasma CVD method, compressive stress and tensile stress are alternately generated inside the formed diamond film, thereby canceling the internal stress generated in the diamond film, A method for producing a diamond film, wherein the diamond-coated substrate has a flat shape without warpage.
【請求項2】 基体温度を変化させることにより、基体
上に形成されるダイヤモンド皮膜内部に生じる応力状態
を変化させ、ダイヤモンド皮膜内部に圧縮応力と引張応
力を交互に生じさせてダイヤモンド皮膜に生じる内部応
力を相殺することを特徴とする、請求項1のダイヤモン
ド皮膜の製造方法。
2. Changing the temperature of the substrate to change the stress state generated inside the diamond film formed on the substrate, thereby causing the compressive stress and the tensile stress to be alternately generated inside the diamond film to cause the internal stress generated in the diamond film. The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein the stress is offset.
【請求項3】 上記圧縮応力を生じさせるため基板温度
を600〜850℃、引張応力を生じさせるための基板温度を
880〜1100℃とすることを特徴とする、請求項1または
2のダイヤモンド皮膜の製造方法。
3. The substrate temperature for generating the compressive stress is 600 to 850 ° C. and the substrate temperature for generating the tensile stress is 3.
The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein the temperature is 880 to 1100 ° C. 4.
【請求項4】 基体がシリコン、モリブデン、のいずれ
かの1種のウェハであることを特徴とする、請求項1、
2または3のいずれかのダイヤモンド皮膜の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the substrate is a wafer of one of silicon and molybdenum.
2. The method for producing a diamond film according to any one of 2 and 3.
【請求項5】 基体に被覆されるダイヤモンド皮膜の厚
さが5〜2000μmであることを特徴とする、請求項1、
2、3または4のいずれかのダイヤモンド皮膜の製造方
法。
5. The method according to claim 1, wherein the thickness of the diamond film coated on the substrate is 5 to 2000 μm.
2. The method for producing a diamond film according to any one of 2, 3, and 4.
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