JP4986665B2

JP4986665B2 - ダイヤモンド薄膜素子

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Publication number: JP4986665B2
Application number: JP2007074155A
Authority: JP
Inventors: 武史橘
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP2008231523A

Description

本発明は、電極、測定探触子、センサー部品など、基材にダイヤモンド薄膜が被覆されたダイヤモンド薄膜素子に関する。

導電性ダイヤモンド薄膜は、優れた電気化学的特性、材料特性を有している。電気化学的特性としては酸素過電圧の大きさ、水素過電圧の大きさ、バックグラウンド電流の小ささを挙げることができ、材料特性としては機械的強度、耐薬品性、熱伝導性、熱容量の小ささを挙げることができる。

従来、電気化学的な微量物質検知や電解プロセス用の電極の多くは、白金、金、酸化イリジウム、グラシーカーボンなどで形成されていたが、前記導電性ダイヤモンド薄膜の優れた特性に着目して、これを利用した電極素子が代替電極として利用することが検討されている。この際、導電性ダイヤモンドは、高価な材料であるため、通常、導電性ダイヤモンド自体によって電極を形成するのではなく、導電性の基材に導電性ダイヤモンド薄膜を被覆した構造とされる。

特に電気化学的な微量物検知や電解プロセス用の電極としては、種々の薬液との接触や大電流密度で通電されるという厳しい使用環境で長時間使用されるため、導電性ダイヤモンド薄膜素子には、優れた耐久性が求められる。

また、導電性ダイヤモンド薄膜素子は、優れた電子源として利用することができる。これは、ダイヤモンドの電子親和力が非常に小さく、条件によっては電子親和力が負となるからである。かかる特性を利用して、電子線描画装置や微小Ｘ線源、電子顕微鏡などを典型例とする真空環境における電子源として、また将来的には電子表示装置用の微小電子銃としての応用が注目されている。また、特定環境で使用される電子源の応用例としては、複写機のトナー帯電、イオン脱臭機、各種放電灯・陰極管などを挙げることができる。

このようにダイヤモンド薄膜素子は、ダイヤモンドの優れた特性により、種々の分野での利用が検討されているが、基材にダイヤモンド薄膜が被覆された構造であるため、優れた耐久性を確保するには、ダイヤモンド薄膜と基材との密着性を確保することが技術上の重要なポイントになる。

そこで、基材とダイヤモンド薄膜の密着性の向上技術として種々のものが提案されている。例えば、特開平５−２３９６４６号公報（特許文献１）には、基材の表面を、高エネルギー密度のパルスレーザでアブレーション加工し、微細な凹凸を設けることが提案されている。微細な凹凸を設けることにより、所謂アンカー効果によってダイヤモンド薄膜の基材に対する密着性を向上させることができる。

また、特開２００６−２０６９７１号公報（特許文献２）には、より簡便な方法で同様の効果を狙った技術が記載されており、シリコン基板をインゴットから切り出す際の内周歯の番手を変更したり、切断後に研磨処理することにより、シリコンの表面を意図的に粗加工して所定範囲の微細な凹凸を設けることが提案されている。
特開平５−２３９６４６号公報特開２００６−２０６９７１号公報

しかし、パルスレーザでアブレーション加工する方法は、高価で特殊な表面加工装置が必要となり、ひいては製造コストが高くなるため実用性に乏しいという問題がある。また、シリコン基板の表面粗度を調整する方法では、シリコン基板を用いることが前提であって基材の材料、形態が制約され、またアンカー効果が不十分であり、十分な密着性が得られないという問題がある。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、特殊な表面加工設備を用いることなく、優れた密着性を得ることができるダイヤモンド薄膜素子を提供することを目的とする。

基材にダイヤモンド薄膜を被覆する場合、高温環境下で被覆されるため、ダイヤモンド薄膜には大きな圧縮の残留応力が存在する。この残留応力は膜厚を制御することで制御することができるが、単に膜厚を制御するだけではダイヤモンド薄膜の密着性は改善しない。本発明者は、圧縮の残留応力に着目し、基材の形態によっては、ダイヤモンド薄膜はその圧縮残留応力により基材を締め付けるようになり、ダイヤモンド薄膜の密着性が向上することを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、基材にダイヤモンド薄膜が被覆されたダイヤモンド薄膜素子であって、前記基材は線膨張係数が１２×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成され、長さ方向に垂直な横断面の外周が円形の曲線となる側面部を有し、前記側面部の横断面の最大径における周長が１５０μm 以上、９００μm 以下とされ、前記側面部の長さ方向の任意部分の横断面の周長をｐ、その部分の外周に被覆されたダイヤモンド薄膜の膜厚をｔとするとき、ｔ／ｐが１．０×１０^-4以上、７．０×１０^-3以下とされ、前記ダイヤモンド薄膜が被覆される前記基材の表面が自乗平均平方根粗度（ＲＭＳ）で０．１〜２０μm とされたものである。

本発明のダイヤモンド薄膜素子によると、所定の低熱膨張材で形成され、横断面が円形の側面部を有し、前記側面部の横断面の最大径における周長が特定範囲とされた基材を用い、その側面部の長さ方向の任意部分の横断面の周長ｐに対するダイヤモンド薄膜の膜厚ｔの比率ｔ／ｐが所定範囲内となるように、その部分の外周にダイヤモンド薄膜が被覆されるので、基材の側面部を包み込むように被覆するダイヤモンド薄膜の圧縮残留応力が側面部の外周を締め付けるように作用し、これによって基材に対するダイヤモンド薄膜の密着性が向上し、さらに、ダイヤモンド薄膜が被覆される基材の表面を自乗平均平方根粗度（ＲＭＳ）で０．１〜２０μm の凹凸を形成するので、アンカー効果によってダイヤモンド薄膜の密着性をさらに向上させることができ、優れた耐久性を得ることができる。

このダイヤモンド薄膜素子において、前記基材の形状としては円錐形ないし略円錐形とすることができ、また好ましくは高さが前記側面部の横断面における最大径よりも大きい円柱形ないし略円柱形の形状とすることができる。また、前記ダイヤモンド薄膜は基材の少なくとも一方の端部及び側面部に一体的に被覆することが好ましい。

また、前記基材は、例えばシリコン、チタン、チタン合金、モリブデン及びモリブデン合金などの高融点を有し、導電性の低熱膨張材で形成することができる。この場合、前記ダイヤモンド薄膜を導電性ダイヤモンド薄膜とすることにより、電極素子として好適に用いることができる。

本発明のダイヤモンド薄膜素子によれば、ダイヤモンド薄膜はその残留応力により表面が所定粗度とされた基材を締め付けるように被覆されるので、特殊な表面加工設備を用いることなく、優れたダイヤモンド薄膜の密着性が得られ、引いては耐久性に優れたダイヤモンド薄膜素子を提供することができる。特に導電性ダイヤモンド薄膜電極素子は、耐久性に優れ、ダイヤモンド薄膜の優れた特性を最大限に利用できる。このため、オゾン水生成、機能水生成、排水処理、微量物質検知などの電極素子として好適であり、さらにグラインダなどの加工具、カンチレバなどの微小機械構造、電子源から増幅素子、発光素子、各種センサデバイスなどに好適に適用することができる。

以下、本発明の実施形態にかかる導電性ダイヤモンド薄膜素子について説明する。図１は、実施形態にかかる導電性ダイヤモンド薄膜素子の縦断面を示しており、導電性の低熱膨張材で形成され、円錐形に形成された基材１と、その側面（円錐面）部から頂部を一体的に被覆する導電性ダイヤモンド薄膜２とを備える。

前記基材１は、線膨張係数が１２×１０^-6／Ｋ以下の高融点低熱膨張材で形成されている。導電性ダイヤモンド薄膜２を成膜される際、基材も高温になるので、その融点は少なくとも１３００Ｋであることが好ましい。線膨張係数が１２×１０^-6／Ｋ超では、導電性ダイヤモンド薄膜を被覆した際に当該薄膜に残留する圧縮応力が過大となり、微細なクラックが生じやすくなり、却って基材締め付け効果の低下、ひいては密着性の低下を招来する。このため、線膨張係数が１２×１０^-6／Ｋ以下のものが好ましい。さらに、機械加工性が良好であることが好ましい。これらの条件を満足する材料としては、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔｉ合金、Ｍｏ合金を例示することができる。

また、前記基材１は、円錐形をしており、その頂部は２０〜８０μm 程度の小さな曲率半径の球面の一部で形成されている。また、長さ（高さ）方向に垂直な任意の横断面における外周の周長ｐが９００μm 以下、すなわち最大径の横断面に相当する底面の外周における周長が１５０μm 以上、９００μm 以下（直径で２８６μm 以下）とされている。最大周長が９００μm 超となると、残留応力による基材締め付け効果が減少するようになり、密着性が低下する。また、周長を９００μm 以下とすることにより、頂部から側面部に渡って導電性ダイヤモンド薄膜を一体的に被覆することで、基材の頂部が側面部の導電性ダイヤモンド薄膜に包み込まれるようになるため、頂部の密着性も向上する。前記最大径の周長の下限は、加工上、１２０μm 程度、好ましくは１５０μm 程度に止めることが望ましい。なお、基材１の底面部は、電極素子の取り付け部分となるため、導電性ダイヤモンド薄膜が被覆される必要はない。

前記導電性ダイヤモンド薄膜２は、膜厚が０．０３〜１０μm 程度に形成されるが、前記基材１の側面部において、長さ方向の任意部分の膜厚ｔが前記基材１のその部分における横断面の周長ｐに対して１．０×１０^-4以上、７．０×１０^-3以下となるように形成する必要がある。ｔ／ｐが１．０×１０^-4未満ではダイヤモンド薄膜の残留応力による基材締め付け効果が過小となり、一方７．０×１０^-3超となると残留応力が過大となって、いずれの場合もダイヤモンド薄膜２の密着性が低下するようになる。

図１では、導電性ダイヤモンド薄膜２は、基材１の頂部から側面部にかけて均一の膜厚に形成されているが、図２に示すように、頂部から底面部にかけて膜厚が漸次厚くなるような膜厚分布としてもよい。要は、長さ方向の任意の各部の横断面において、ｔ／ｐが１．０×１０^-4以上、７．０×１０^-3以下を満足すればよい。

前記導電性ダイヤモンド薄膜２は、各種の気相合成法によって成膜することができるが、プラズマＣＶＤ法によれば、成膜効率が高く、また基材１の表面の周りにプラズマを包み込むように形成することができ、基材の外周面にダイヤモンド薄膜を容易に形成することができる。プラズマＣＶＤ法としては、高周波プラズマＣＶＤ法、ＤＣアークプラズマＣＶＤ法などの各種プラズマＣＶＤ法を適用することができる。

プラズマＣＶＤ法での成膜に用いる原料ガスとしては、水素ガスと炭素源ガス（例えば、メタンガス、一酸化炭素ガス）との混合ガスが用いられ、ダイヤモンド薄膜に導電性を付与するために微量のホウ素源ガス（例えば、ジボランガス）が添加される。前記水素ガスに対する炭素源ガスの比率は、通常、０．１〜１０ vol％程度とされ、炭素源に対するホウ素源の比率は、０．１〜１０⁵ppm程度でよい。ホウ素の添加は、プラズマＣＶＤ装置内に固体ホウ素を設置するようにしてもよい。かかる原料ガスを用いてプラズマＣＶＤを行うことにより、基材の表面にダイヤモンド薄膜中に不純物として微量のホウ素が含有した導電性ダイヤモンド薄膜が形成される。導電性ダイヤモンド薄膜の成膜に際しては、図７に示すように、薄膜を被覆する必要がない基材１の底面部を導電材で形成された支持部材１１の保持用凹部に差し込み、基材１を保持した支持部材１１をＣＶＤ装置の処理台に載置して成膜すればよい。なお、基材１の全周にダイヤモンド薄膜を被覆するには、支持軸を立設した支持部材を準備し、前記支持軸に基材を点接触状態で支持するようにして、基材を空中に浮かせた状態で成膜すればよい。

また、前記導電性ダイヤモンド薄膜１の膜厚は、プラズマＣＶＤ装置の処理台を温度制御することで制御することができる。通常、成膜時に処理台は水冷されるが、この場合、図１に示すように、基材１の外周面に均一膜厚の導電性ダイヤモンド薄膜２が形成される。一方、プラズマＣＶＤ装置の処理台の温度を上げて、基材１の下方ほど処理温度が高くなるように温度分布を形成することで、図２に示すように底面側ほど膜厚を厚くすることができる。また、基材１とプラズマとの距離を調整することによっても膜厚を制御することができる。通常、プラズマの形成位置はプラズマＣＶＤ装置の真空容器の内部形状によって決まるので、基材とプラズマの距離は基材を載置する処理台を真空容器内で上下動させることで調整することができ、これにより基材の温度分布を制御することができる。

上記実施形態では、基材１として円錐形のものを用いたが、基材の形状はこれに限るものではなく、側面部の横断面の外周が円形の曲線をしており、その最大径の周長が１５０μm 以上、９００μm 以下であればよく、例えば、図３、図４に示す円錐台形でもよい。図３は基材１の表面に均一膜厚の導電性ダイヤモンド薄膜２を被覆したもの、図４は基材１の表面に頂部から底面部にかけて膜厚が厚くなるように導電性ダイヤモンド薄膜２を被覆したものである。また、基材１の形状としては、図５に示す円柱形でもよい。円柱形の場合、高さが端面の直径よりも大きいものの方が端面部におけるダイヤモンド薄膜の密着性の点では有利である。また、円柱形基材の場合、端部を球面状としてもよく、横断面形状は円形に限らず、楕円形でもよい。またこれらの形状のほか、例えば球形でもよい。

また、ダイヤモンド薄膜２の密着性をより向上させるには、基材の表面に微細な凹凸を形成するとよい。これによりアンカー効果が生じて密着性が向上する。もっとも、凹凸が細か過ぎるとアンカー効果が過小となり、一方粗過ぎてもアンカー効果が発揮されないようになるので、表面粗度をＲＭＳ（自乗平均平方根粗度）で好ましくは０．１μm 以上、２０μm 以下、より好ましくは０．５μm 以上、５μm 以下とするのがよい。前記ＲＭＳは、光干渉方式のレーザー表面プロファイラで測定することができる。前記プロファイラとしては、例えばＹＥＥＣＯ社製の測定装置『ＷＹＫＯ』（商品名）を用いることができる。

また、上記実施形態では、ダイヤモンド薄膜として導電性ダイヤモンド薄膜を形成したが、工具や微小機械構造部品などの導電性を要しないダイヤモンド薄膜素子では、導電性は不要であり、ダイヤモンド薄膜の成膜に際してホウ素を添加する必要はない。また、基材の導電性も必要なく、例えばセラミックスなどの絶縁材で形成することもできる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によて限定解釈されるものではない。

材質がＳｉあるいはＣｕで外形が外周長３００〜１５００μm 、長さ５mmの円柱形の基材群、材質がＴｉあるいはＣｕで外周長３００〜１２００μm 、長さ１５〜２００mmの丸線形（この実施例では長さ（高さ）が１５mm以上の細長い円柱形を「丸線形」と呼ぶ。）の基材群、材質がＭｏあるいはＣｕで外形が図１の円錐形（頂部の曲率半径０．０５mm、底面における外周長３００〜１５００μm ）の基材群を準備し、各基材に対してショットブラストによって基材表面に種々の表面粗さ（ＲＭＳ）の微細な凹凸を形成した。これらの基材形状、寸法、表面粗さ（ＲＭＳ）を表１に示す。

次に、各基材を用いてその表面にプラズマＣＶＤ法によりほぼ均一厚さの導電性ダイヤモンド薄膜を以下の要領で形成した。まず、前記円柱形基材に対しては一方の端面を、また円錐形の基材に対しては底面をプラズマＣＶＤ装置の処理台（水冷）に載置して、また丸線形の基材は処理台に載置した支持部材に点接触させた状態で軸線が横方向になるように空中に浮かせてプラズマＣＶＤ装置内に設置した。

次に、ガス圧（１×１０³〜２×１０⁴Ｐａ）、プラズマ電力、処理台の温度などのパラメータを調整して、基材表面温度を９５０〜１，３００Ｋに制御した。プラズマは基材を包み込むようにチューニングした。原料ガスには水素とメタンとの混合ガスを用い、メタンガスを水素ガスで０．１〜１０％程度に希釈してプラズマＣＶＤ装置内に導入した。導電性ダイヤモンド薄膜を得るために、原料ガスにホウ素源ガス（ジボランガス）を混合したり、プラスマＣＶＤ装置内に固体ホウ素源を設置した。導電性ダイヤモンド薄膜の堆積速度は、プラズマＣＶＤ装置の運転条件が同一であっても基材の形状に影響されるが、本実施例では概ね０．１〜１μm ／ｈｒの範囲で制御した。

上記のようにして形成された導電性ダイヤモンド薄膜の膜厚を以下の要領で測定した。導電性ダイヤモンド薄膜が形成された基材を両端面（円錐形の場合は頂点及び底面）から長さの１０％位置で軸線に対して垂直に切断し、切断面を顕微鏡観察し、ダイヤモンド薄膜の平均膜厚を求めた。その結果を表１に併せて示す。

上記のようにして製作した導電性ダイヤモンド薄膜素子に対して、薄膜の密着性を簡便なテープ剥離テストにより調べた。テープ剥離テストは、大気中でメンディングテープ（住友スリーエム製）を前処理なしでダイヤモンド薄膜表面に接着した後、テープを剥がすことにより基材からダイヤモンド薄膜が剥離するか否かを調べるものであり、テスト結果は全て剥離する場合と全く剥離しない場合とに明確に分かれた。

さらに、導電性ダイヤモンド薄膜素子に対して以下のＡ〜Ｃの薬液処理を施した後、前記テープ剥離テストを実施した。
Ａ処理：王水、アンモニア水と過酸化水素水との混合液（体積割合１：０．２）、弗酸と硝酸との混合液（体積割合１：１）の各薬液を調製し、薬液を撹拌した状態で１０日間浸漬
Ｂ処理：上記各薬液を超音波振動させた状態で３ｈｒ浸漬
Ｃ処理：上記各薬液を４００Ｋ程度に加熱した状態で３ｈｒ浸漬

さらにまた、より厳しい環境として、下記の電解剥離を行った後、前記テープ剥離テストを実施した。電解剥離は、導電性ダイヤモンド薄膜素子を２個組み合わせて水道水中に設置し、０．３〜３Ａ／cm²の電流密度で２０ｈｒ通電した。

上記テープ剥離テストの結果を表１に併せて示す。表中、「○」は剥離がないもの、「×」は剥離したものを示す。薬液処理についてはいずれかの処理で剥離があれば「×」と評価した。合否判定は、前処理なしで剥離がなく、かつ薬液処理Ａ−Ｃの内、いずれか２つの処理を行っても剥離しなかったものは、密着性が実用レベルにあるので合格と判断した。

表１及び図１より、実施例に係る導電性ダイヤモンド薄膜素子は、ダイヤモンド薄膜の密着性に優れ、引いては耐久性に優れることが分かる。特に、密着性が合格レベルにあるものでも、基材の表面粗度が０．１〜２０μm のものの密着性が非常に優れており、電解剥離後のテープ剥離テストでも全て剥離が観察されなかった。なお、電解剥離後のテープ剥離テストで剥離したものは、電解によってダイヤモンド薄膜が部分的に剥離しているのが観察された。

材質がＭｏで、図３および図４に示す円錐台形の基材を準備した。基材の長さ（高さ）は３mmであり、頂面、底面からそれぞれ０．３mm離れた位置Ａ，Ｂにおける周長ｐはそれぞれ１５０μm 、６００μm である。

次に、実施例１と同様にしてプラズマＣＶＤ法で基材の表面（底面を除く。）に導電性ダイヤモンド薄膜を形成した。この際、実施例の導電性ダイヤモンド薄膜素子として、プラズマＣＶＤ装置の処理台の温度を４００℃程度に加熱して成膜し、図４に示すように、薄膜ｔがＡ部で０．０５μm 、Ｂ部で０．１０μm となるダイヤモンド薄膜を形成した。この薄膜のＡ部でのｔ／ｐ＝３．３×１０^-4、Ｂ部でのｔ／ｐ＝１．７×１０^-4であり、共に本発明の条件を満足する。一方、比較例として、図３に示すように、処理台を水冷して処理台の温度を６０〜７０℃程度に調整して成膜し、基材表面において膜厚がほぼ０．０５μm の均一な膜厚のダイヤモンド薄膜を形成した。比較例では、Ａ部では本発明条件を満足するが、Ｂ部ではｔ／ｐ＝８．３×１０ ^-5となって本発明条件から外れる。

これらの試料を真空装置（到達真空度≦１×１０^-4Ｐａ）に設置し、白金電極の先端部と頂部との間隔が２０mmとなるように導電性ダイヤモンド薄膜素子を白金電極に対向させて配置し、白金電極の先端部から１０μＡを流すように印加する負電圧（２００〜１ｋＶ）を調整し、導電性ダイヤモンド薄膜素子の電極寿命を測定した。電極寿命は、当初印加した電圧において１０μＡが流れないようになるまでの時間とした。その結果、比較例では、寿命が３００ｈｒであるのに対して、実施例では１，４００ｈｒと４倍以上の耐久性を示した。

本発明の実施形態にかかる、円錐形の基材に均一厚さの薄膜を被覆したダイヤモンド薄膜素子の縦断面図である。本発明の他の実施形態にかかる、円錐形の基材に底面側が厚い厚さ分布を有する薄膜を被覆したダイヤモンド薄膜素子の縦断面図である。本発明の他の実施形態にかかる、円錐台形の基材に均一厚さの薄膜を被覆したダイヤモンド薄膜素子の縦断面図である。本発明の他の実施形態にかかる、円錐台形基材に底面側が厚い厚さ分布を有する薄膜を被覆したダイヤモンド薄膜素子の縦断面図である。本発明の他の実施形態にかかる、円柱形の基材に均一厚さの薄膜を被覆したダイヤモンド薄膜素子の縦断面図である。ダイヤモンド薄膜を基材に成膜する際に用いられる支持部材の要部断面図である。

符号の説明

１基材
２導電性ダイヤモンド薄膜

Claims

基材にダイヤモンド薄膜が被覆されたダイヤモンド薄膜素子であって、
前記基材は、長さ方向に垂直な横断面の外周が円形の曲線となる側面部を有し、線膨張係数が１２×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成され、
前記側面部の横断面の最大径における周長が１５０μm 以上、９００μm 以下とされ、前記側面部の長さ方向の任意部分の横断面の周長をｐ、その部分の外周に被覆されたダイヤモンド薄膜の膜厚をｔとするとき、ｔ／ｐが１．０×１０^-4以上、７．０×１０^-3以下とされ、前記ダイヤモンド薄膜が被覆される前記基材の表面が自乗平均平方根粗度（ＲＭＳ）で０．１〜２０μm とされた、ダイヤモンド薄膜素子。
前記基材は円錐形ないし略円錐形の形状を有する、請求項１に記載したダイヤモンド薄膜素子。
前記基材は円柱形ないし略円柱形の形状を有し、その高さが前記側面部の横断面における最大径よりも大きい、請求項１に記載したダイヤモンド薄膜素子。
前記基材の少なくとも一方の端部及び側面部にダイヤモンド薄膜が一体的に被覆された、請求項１から３のいずれか１項に記載したダイヤモンド薄膜素子。
前記基材は、シリコン、チタン、チタン合金、モリブデン及びモリブデン合金の内から選択された材料で形成された、請求項１から４のいずれか１項に記載したダイヤモンド薄膜素子。
前記ダイヤモンド薄膜は導電性ダイヤモンド薄膜であり、電極素子として用いられる、請求項５に記載したダイヤモンド薄膜素子。