JP3479276B2 - プラズマ噴流化学蒸着装置及び平面でない表面をダイヤモンド被覆する方法 - Google Patents

プラズマ噴流化学蒸着装置及び平面でない表面をダイヤモンド被覆する方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は広くはダイヤモンド
被覆を表面上に蒸着する装置と方法に関する。さらに詳
細には、本発明はダイヤモンドフイルムを平面でない表
面に蒸着する装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】高品質のダイヤモンドフイルムを種々の
用途に用いることは良く知られている。優れた物理的、
化学的、及び電気的特性はダイヤモンドフイルムを多く
の機械的、熱的及び電気的な適用面にとって望ましいも
のとする。例えば、ダイヤモンドは、任意の材料の最高
室温熱伝導性、高い電解破壊（ -１０7 Ｖ／cm）、及び
空気安定性負電子親和力を有している。これらの特性は
ダイヤモンド以外のいかなる半導体でもなし得ない高電
力、高周波のトランジスタと冷陰極を可能にする。さら
に、ダイヤモンド被覆の腐食抵抗はこの被覆を半導体エ
ッチング装置にとって理想的なものにする。
【０００３】薄いダイヤモンド被覆を製造する１つの方
法は化学蒸着（以後‘ＣＶＤ’という）装置を用いるこ
とによるものである。ＣＶＤ装置では、メタンのような
水素とガス状炭化水素との混合物が活性化され基体と接
触され基体上にダイヤモンド被覆をつくり出すようにす
る。この炭化水素ガスは原子水素に解離され、これが炭
化水素と化学反応して凝縮可能な炭素基を形成する。こ
の炭素基が次に基体上に蒸着されダイヤモンドフイルム
を形成する。
【０００４】ＣＶＤを実施する１つの方法はプラズマ噴
射装置によるものである。従来技術の図１を参照する
と、プラズマ噴射装置１０は、水素ガス入口１４と陰極
１６とエンジン壁１８と陽極２０とを有するエンジン１
２を含んでいる。プラズマ噴射装置１０はさらに、複数
の噴射器２４を有するガス噴射円板２２と、基板３０が
配置されるマンドレル２８の方に向けられた分配ヘッド
（ノズル）２６と、エンジン１２、ガス噴射円板２２、
分配ヘッド２６、及びマンドレル２８を取巻く真空蒸着
室３２とを含んでいる。作動時、原子水素ガスが水素ガ
ス入口１４を通って導入され、直流アーク、交流アーク
又はエンジン内部のマイクロ液エネルギーにより水素プ
ラズマ噴流に形成される。プラズマトーチはガスをその
元素形式に減少するのに十分に熱くなっている（典型的
には約１０，０００°Ｋ）。炭化水素の試薬が次にガス
噴射円板２２の噴射器２４からプラズマトーチに導入さ
れ、プラズマトーチは分配ヘッド２６に向けられそれに
より凝縮可能な試薬の噴流が分配ヘッドを出てマンドレ
ル２８上の基板３０に向って案内される。マンドレル２
８は分配ヘッド２６に対し直角に向けられそれにより噴
流が基板３０において一直線状に案内され、ダイヤモン
ド被覆が基板上に形成されるようにする。
【０００５】噴流よりも大きな目的物の平らな表面を被
覆しまた被覆の均一性が得られ温度勾配の形成を通して
被覆の品質を減少させるような熱スポットをなくするた
めには、米国特許第５，３４２，６６０号に記載され図
１に示されるように、目的物を分配ヘッドの下側で回転
させるのが有利である。
【０００６】しかし、平面でない表面、すなわちリング
又はボウルのような目的物の内面を被覆する時、特に内
径が噴流から遠ざかる方向に増大する場合は、一直線状
の噴流は均一な被覆を得ることが困難となり又はある領
域では被覆が全く得られないことになる。さらに、目的
物の回転が典型的には均一に被覆し温度勾配を最小にす
るのに好ましいが、室の範囲内では比較的大きい、横長
の、複雑な及び／又は扱いにくい（すなわち、偏心した
重心を有する）目的物を回転することは実用的でなく又
は不可能である。さらにまた、大きな、横長の、複雑な
及び／又は扱いにくい目的を室の中で回転又は動かすこ
とができたとしても、目的物の表面が受ける温度勾配を
最小にするような速度で回転させることは実行できるも
のではなく又は実用的ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記の理由により、平
面でない表面を有する目的物の上にダイヤモンド被覆を
蒸着しこの被覆が実質的に均一な厚さに付与されしかも
温度勾配が最小となるようにする装置と方法が必要とな
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は目的物の平面で
ない表面に化学蒸着のダイヤモンド被覆を蒸着させる新
規な装置と方法である。この装置は、ダイヤモンド被覆
に抵抗する偏向表面を有する偏向板と、公知のプラズマ
噴射エンジン、射出円板、分配ヘッド及び基体目的物が
設けられたマンドレルとを含んでいる。少なくとも分配
ヘッドの出口とマンドレルとが真空蒸着室室の中に収容
されている。
【０００９】目的物の内径表面を被覆するのに特に適し
ている本発明の数個の実施態様によれば、偏向板の偏向
表面が本発明装置により生成された反応試薬を形成する
ダイヤモンドによってダイヤモンド被覆に抵抗しまた比
較的高い蒸着温度に耐えるようになっている。偏向板
は、分配ヘッドの軸線に対し、したがってまた分配ヘッ
ドを出る噴流の軸線に対し、実質的に軸方向に配置され
る。偏向板は好ましくはほぼくさび形又は円錐形であり
また偏向板を比較的高速度で回転させるようにするモー
ターに連結されている。マンドレルは部分的に又は完全
に偏向板の周りに配置される。偏向板は分配ヘッドとマ
ンドレルとに対し、分配ヘッドを出る噴流がマンドレル
上に位置する目的物の表面の上に偏向板により偏向され
るように配置されている。目的物の表面は平面でないも
のとすることができる。
【００１０】特にリング形状の目的物の外径表面又は非
円形目的物の周面部分を被覆するようになっている本発
明の他の実施態様によれば、回転自在のマンドレルが目
的物を分配ヘッドからの噴流に対し非軸方向に回転する
ようになっている。好ましくは静止偏向板が分配ヘッド
の下側に位置しまた分配ヘッドからの噴流を平面でない
表面の目的物に向って偏向させるように配置されてい
る。目的物がマンドレル上で回転された時、その外径又
は周面部分が噴流によりダイヤモンド被膜で被覆され
る。
【００１１】本発明の数個の実施態様は平面でない表面
上にダイヤモンドフイルムを被覆するようになっている
装置を提供する。本発明の付加的な利点は当業者にとっ
て、与えられた図面に関連した詳細な記載を参照するこ
とにより明らかとなるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】図２と３を参照すると、目的物の
平面でない表面のダイヤモンド被覆のためのプラズマ噴
流蒸着装置１００が設けられている。この装置は一般
に、全ての要素が図示されてはいないが、従来技術の図
１に関して記載された全ての要素を含んでいる。装置１
００は特に分配ヘッド１０２と蒸着室１０６内部のマン
ドレル１０４とを含んでいる。マンドレル１０４は好ま
しくは室１０６の内部の静止要素（例えば後述されるモ
ーターハウジング１１４）に連結されている。
【００１３】本発明の好ましい形態によれば、偏向板１
２０が分配ヘッド１０２に関して軸方向にまたマンドレ
ル１０４の一部に関して中心方向に設けられそれにより
平面でない表面１１０を有しマンドレル１０４の上に配
置されている目的物１０８が少なくとも部分的に偏向板
１２０を取巻くその平面でない表面を有するようにす
る。偏向板１２０はモーターハウジング１１４の内部で
モーター１１２に連結されている。モーター１１２は分
配ヘッドを出る噴流の軸線Ａｊの周りに偏向板を回転さ
せるよう構成されている。偏向板１２０は噴流を半径方
向に偏向させるようになっている偏向表面１２２を含ん
でいる。このため、偏向表面１２２は噴流からの反応試
薬によってダイヤモンド被覆の形成に抵抗しなければな
らず、また高い蒸着温度、例えば７５０℃までの又はそ
れ以上の温度に耐えることができなければならない。偏
向表面にとって適当な材料の例は、他の適当な材料を用
いることもできるが、銅、アルミニウム、銅メッキのモ
リブデン、ニッケル、窒化チタニウム、及び窒化ジルコ
ニウムを含んでいる。このような材料は実質的に偏向板
の全体を構成し又はこれに代え相対的に異なる支持耐火
性材料、例えばグラハイトの上に被覆され偏向板を形成
するようにしてもよい。
【００１４】図２から４を参照すると、偏向板１２０の
第１の実施態様によれば偏向板は傾斜した実質的に表面
の偏向表面１２２を有する円筒形又は矩形のくさびであ
る。選択された偏向板の表面の傾斜角度は好ましくは反
応試薬を被覆されるべき表面の外郭に向って最良に案内
するように選択される。すなわち、リングの内径の周り
の垂直壁を被覆する時、所望の傾斜はリングの内径の傾
斜壁を被覆する時とは異なっている。偏向表面１２２は
噴流試薬を分配ヘッドを出る噴流の軸線に対して半径方
向に偏向させるようになっている。偏向板１２０が回転
するにつれて、噴流は全ての半径方向に向けられる。
【００１５】くさび形の偏向板はこの他にわん曲した偏
向表面を含むことができる。図５と６を参照すると、偏
向板１２０ａが複数の水平方向に配置された曲線によっ
て区画形成された‘水平方向’に（側面から側面への）
凹面の表面１２２ｂを含んでいる。図７を参照すると、
偏向板１２０ｂは複数の垂直に配置された曲線によって
区画形成された‘垂直方向’に（頂部から底部への）凹
面の表面１２２ｂを含むことができる。さらにまた図８
を参照すると、偏向板１２０ｃは凸面の偏向表面１２２
ｃを有することができる。
【００１６】当業者にとって、偏向板表面の特別の好ま
しい形状はダイヤモンドフイルムで被覆される表面の形
状によって決まることが理解されるであろう。事実、コ
ンピュータシミュレーションが偏向板を構成し位置させ
るのに利用され、プラズマの速度、プラズマの分配、基
板の形状及び位置、等を明らかにする。
【００１７】図９と１０を参照すると、本発明の第２の
実施態様によれば、偏向板２２０はほぼ円錐形であり、
すなわち軸方向中心の最高点（天頂）２２４を有し、こ
こから全ての側面２２６上を下方に向って傾斜してい
る。天頂２２４は分配ヘッドを出る噴流の軸線Ａｊと実
質的に同一直線上に位置している。噴流が分配ヘッド２
０２を出るにつれて、噴流は側面２２６から半径方向に
目的物２０８の平面でない表面２１０に向って全ての方
向に偏向される。所望ならば、偏向板２２０は回転され
噴流の軸線Ａｊに対する偏向板の不整列による結果であ
る被覆の不均一が生じないようにする。加えて、偏向板
の回転は偏向板がより小さい製造公差で構成できるよう
にする。
【００１８】図１１と１２を参照すると、円錐形偏向板
は代わりに凹面の側面２２６ｂ又は凸面の側面２２６ｃ
が設けられる。上記したように、偏向板表面の側面の特
に好ましい形状はダイヤモンドで被覆される表面の形状
によって決まる。
【００１９】本発明の第１の実施態様と第２の実施態様
とに関し、偏向板を目的物が供給されるマンドレルに対
しモーター上で回転させるのが好ましいが、マンドレル
はこれに代え又はこれに加えて偏向板に対して回転され
てもよいことが理解されるであろう。すなわち、マンド
レルは静止した偏向板の周りに回転され又はマンドレル
が回転する偏向板とは反対方向に回転される。さらにま
た、好ましくはないが、偏向板とマンドレルの両方が異
なった速度で同じ方向に回転されそれにより偏向板とマ
ンドレルが相互に対し回転されるようにしてもよい。い
ずれの場合も、被覆の均一性は保証されまた温度勾配は
最小となる。
【００２０】図１３を参照すると、本発明の第３の実施
態様によれば、装置３００は、外径表面のような目的物
の外側の平面でない表面３０９が被覆されるように目的
物３０８が設けられる回転マンドレル３０４を含んでい
る。マンドレルは典型的には噴流の軸線Ａｊと平行であ
るが同一直線上にはない軸線Ａｍの周りに回転する。好
ましくはくさび形状の偏向板３２０が分配ヘッド３０２
の下方に動かないように位置しまた噴流軸線Ａｊと交差
する偏向表面３２２を含んでいる。分配ヘッドからの噴
流が偏向板３２０により偏向され（流体の流れ特性によ
り）また目的物がマンドレル上で回転されるにつれて、
ダイヤモンド被覆が目的物の外側の平面でない表面上に
得られる。
【００２１】さらに、それぞれに目的物が設けられた多
数の（例えば４個の）回転マンドレルと中央の好ましく
は回転する円錐形偏向板とを備えた同様の装置をまた用
いることができる。このような装置は１つの分配ヘッド
を用いて多数の目的物の外面を同時にダイヤモンドで被
覆できるようにする。
【００２２】偏向板と偏向板の表面とのための特定の材
料が開示されてきたが、他の適当な材料も同様に用いる
ことのできることが理解されるであろう。一般に、偏向
板にとって最も有用な材料は炭化物を形成することがな
い材料である。ダイヤモンドが偏向板材料に蒸着するか
どうかは一部は偏向板の温度によって決まる。プラズマ
噴流は偏向板表面に著しい熱を与えることがある。した
がって、プラズマ噴流のエンタルピに依存して、例えば
取付けシャフトを介して冷却流体をその内部に循環させ
ることにより又は熱放射フインを取付け放射冷却を向上
させることにより、偏向板が能動的に冷却されるのが有
利である。
【００２３】偏向板の特定の形状が開示されてきたが、
他の偏向板の形状、例えば角錐形状を用いることのでき
ることが理解されるであるう。偏向板はまた断面の大き
な中実の形状に代えて平坦な又は一定形状のシート材料
の形式とすることもできる。また、偏向板は本明細書に
その全体が参照例として記載されている米国特許第５，
３４２，６６０号に教示された傾斜マンドレル、又は同
様の傾斜マンドレルと組合せて用いることができる。さ
らに、偏向板は分配ヘッドに直接取付けないで示されて
いるが、回転又は静止偏向板が分配ヘッドに直接連結さ
れてもよいことが理解されるであろう。さらにまた、モ
ーターが偏向板を回転するよう記載されているが、他の
装置、例えばエンジン又はベルト機構もまた偏向板の回
転に用いられることが理解されるであろう。また、リン
グ形状の目的物の内径部分と外径部分をダイヤモンド被
覆するように示されてきたが、平面でない表面を有する
任意の目的物、例えばボウル形状の目的物の狭い開口も
また記載された装置によりまた記載された方法でダイヤ
モンドで被覆されることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のプラズマ噴流蒸着装置の部分断面図
である。
【図２】本発明の装置の分配ヘッドを出る反応凝縮性試
薬を平面でない表面の上に案内しダイヤモンド被覆を形
成するくさび形偏向板の第１の実施態様を用いるプラズ
マ噴流蒸着装置の第１の実施態様の破截部分図である。
【図３】本発明の第１の実施態様の偏向板の第１の実施
態様の前面図である。
【図４】本発明の第１の実施態様の偏向板の第１の実施
態様の側面図である。
【図５】本発明の第１の実施態様の偏向板の第２の実施
態様の前面図である。
【図６】偏向板の第２の実施態様の側面図である。
【図７】偏向板の第３の実施態様の側面図である。
【図８】偏向板の第４の実施態様の側面図である。
【図９】円錐形偏向板を用いるプラズマ噴流蒸着装置の
第２の実施態様の破截部分断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施態様の偏向板の頂面図で
ある。
【図１１】変更した円錐形偏向板の側面図である。
【図１２】他の変更した円錐形偏向板の側面図である。
【図１３】プラズマ噴流蒸着装置の分配ヘッドを出る反
応凝縮性試薬を平面でない表面に案内しダイヤモンド被
覆を形成する偏向板を用いたプラズマ噴流蒸着装置の第
３の実施態様の破截部分断面図である。
【符号の説明】
１００…プラズマ噴流蒸着装置 １０２…分配ヘッド １０４…マンドレル １０６…室 １０８…目的物 １１０…目的物表面 １１２…モーター １１４…モーターハウジング １２０…偏向板 １２２…偏向表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 セシル ビー．シェパード，ジュニア アメリカ合衆国，カリフォルニア 92677，ラグナ ニグエル，シエナ ド ライブ 44 (72)発明者 ドナルド オー．パッテン，ジュニア アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01564，ステアリング，ハゼルハースト ウェイ ３ (56)参考文献 特開 平７−53298（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−55296（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72076（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 29/04 C23C 16/00 - 16/56

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 目的物の基板表面にダイヤモンド被覆を
    蒸着するためのプラズマ噴流化学蒸着装置であって、 （ａ）プラズマ噴流を発生する手段と、前記プラズマ噴
    流が流出するよう通過しまた噴流軸線を区画形成してい
    る分配ヘッドとを有する、プラズマ噴流装置と、 （ｂ）目的物を配置することのできる平面を区画形成し
    ているマンドレルと、 （ｃ）前記噴流軸線上に配置されかつ前記噴流軸線と前
    記平面とに対して傾斜した偏向表面を有する偏向板と、 （ｄ）前記分配ヘッド、前記マンドレル、及び前記偏向
    板の少なくとも一部を取巻く蒸着室とを具備しているプ
    ラズマ噴流化学蒸着装置。
  2. 【請求項２】 さらに （ｅ）前記偏向板を実質的に前記噴流軸線の周りに回転
    させる手段を具備している請求項１に記載のプラズマ噴
    流化学蒸着装置。
  3. 【請求項３】 前記偏向板がほぼくさび形状とほぼ円錐
    形状のいずれかである請求項１に記載のプラズマ噴流化
    学蒸着装置。
  4. 【請求項４】 前記偏向板がグラハイト、銅、アルミニ
    ウム、窒化チタニウム、及び窒化ジルコニウムのうちの
    少なくとも１つで構成されている請求項１に記載のプラ
    ズマ噴流化学蒸着装置。
  5. 【請求項５】 前記偏向表面がダイヤモンド被覆に対し
    抵抗性を有している請求項１に記載のプラズマ噴流化学
    蒸着装置。
  6. 【請求項６】 前記偏向表面が平面である請求項１に記
    載のプラズマ噴流化学蒸着装置。
  7. 【請求項７】 前記偏向表面が実施的に円錐形である請
    求項１に記載のプラズマ噴流化学蒸着装置。
  8. 【請求項８】 前記偏向表面が凸面又は凹面である請求
    項１に記載のプラズマ噴流化学蒸着装置。
  9. 【請求項９】 前記噴流軸線が前記偏向表面と交差する
    請求項１に記載のプラズマ噴流化学蒸着装置。
  10. 【請求項１０】 前記マンドレルが、周りをマンドレル
    が回転するマンドレル軸線を有し、前記マンドレル軸線
    が前記平面に直角であり、前記マンドレル軸線と前記噴
    流軸線とが平行であるが前記噴流軸線は前記マンドレル
    軸線とは同一直線上にはない請求項１に記載のプラズマ
    噴流化学蒸着装置。
  11. 【請求項１１】 さらに、 （ｅ）前記マンドレルをマンドレル軸線の周りに回転さ
    せる手段を具備している請求項１に記載のプラズマ噴流
    化学蒸着装置。
  12. 【請求項１２】 前記偏向板と前記マンドレルの少なく
    とも一方が他方に対し回転可能である請求項１に記載の
    プラズマ噴流化学蒸着装置。
  13. 【請求項１３】 さらに （ｅ）平面でない表面を有する目的物を具備し、前記偏
    向板が前記プラズマ噴流を前記平面でない表面上で偏向
    させるようになっている請求項１に記載のプラズマ噴流
    化学蒸着装置。
  14. 【請求項１４】 前記目的物が前記偏向板を少なくとも
    部分的に取巻く請求項１３に記載のプラズマ噴流化学蒸
    着装置。
  15. 【請求項１５】 前記目的物が前記偏向板の周りに３６
    ０°にわたって配置されている請求項１４に記載のプラ
    ズマ噴流化学蒸着装置。
  16. 【請求項１６】 目的物の平面でない表面上にダイヤモ
    ンド被覆を形成する方法であって、 （ａ）ダイヤモンドフイルムを生成するのに適したプラ
    ズマ噴流を発生させる手段、プラズマ噴流を発生させる
    手段を出たプラズマ噴流が通過する分配ヘッド、目的物
    が配置されるマンドレル、プラズマ噴流を目的物の平面
    でない表面上で偏向させるよう形成されかつ配置された
    偏向表面を有する偏向板、及び分配ヘッドとマンドレル
    と偏向板との少なくとも一部を取巻く真空室を含む、化
    学蒸着プラズマ噴流装置を設け、 （ｂ）目的物をマンドレルの上に位置させ （ｃ）プラズマ噴流が分配ヘッドを出て、偏向板により
    目的物の平面でない表面に向って偏向されダイヤモンド
    被覆が目的物の平面でない表面上に形成されるように、
    化学蒸着プラズマ噴流装置を作動させる、 ことからなる目的物の平面でない表面にダイヤモンド被
    覆を形成する方法。
  17. 【請求項１７】 さらに （ｄ）偏向板とマンドレルの少なくとも一方を他方に対
    し回転させることを含んでいる請求項１６に記載のダイ
    ヤモンド被覆を形成する方法。
  18. 【請求項１８】 偏向板がほぼくさび形状とほぼ円錐形
    状のいずれかである請求項１６に記載のダイヤモンド被
    覆を形成する方法。
  19. 【請求項１９】 偏向板がグラハイト、銅、アルミニウ
    ム、窒化チタニウム、及び窒化ジルコニウムのうちの少
    なくとも１つで構成されている請求項１６に記載のダイ
    ヤモンド被覆を形成する方法。
  20. 【請求項２０】 偏向表面がダイヤモンド被覆に対し抵
    抗する請求項１６に記載のダイヤモンド被覆を形成する
    方法。
  21. 【請求項２１】 分配ヘッドが軸線を有し、マンドレル
    が目的物の配置される平面を区画形成し、偏向表面が前
    記軸線と前記平面とに対し傾斜されている請求項１６に
    記載のダイヤモンド被覆を形成する方法。
  22. 【請求項２２】 分配ヘッドが噴流軸線を区画形成し、
    噴流軸線が偏向表面と交差している請求項１６に記載の
    ダイヤモンド被覆を形成する方法。
  23. 【請求項２３】 マンドレルが噴流軸線と実質的に平行
    であるが同一直線上にはないマンドレル軸線を有してい
    る請求項１６に記載のダイヤモンド被覆を形成する方
    法。
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