JP5240978B2 - Method for producing diamond-like carbon film - Google Patents

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Description

本発明は、ダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a diamond-like carbon film.

ダイヤモンドライクカーボン(Diamond Like Carbon:以下「DLC」ともいう。)は、炭素を主成分としながら、高硬度、透明性、電気的絶縁性、耐食性など、黒鉛よりはダイヤモンドに似た性質をもつ準安定な硬質アモルファス炭素である。1970年から研究され、成膜方法により様々な特性を有するDLC膜が得られることが分かってきたが、いまだその定義については不明瞭である。DLCの特性を生かした用途も多彩であり、工業的な応用としてはアルミなど難切削削材向けの切削工具、離形成が必要なレンズなどの精密金型、HDDの磁気ヘッドやディスクの保護膜、トライボロジー(潤滑)特性を生かした自動車部品、ガスバリア性を生かしたペットボトル内壁のコーティングなどが注目され実用化が進められている。また、DLCを次世代の半導体として捉え、可変バンドギャップ半導体とする性質を生かした開発も期待されている。 Diamond Like Carbon (hereinafter also referred to as “DLC”) is a quasi-similar material that has properties similar to diamond rather than graphite, such as high hardness, transparency, electrical insulation, and corrosion resistance. It is a stable hard amorphous carbon. Researched since 1970, it has been found that DLC films with various properties can be obtained by the deposition method, but the definition is still unclear. There are a variety of applications that make use of the characteristics of DLC. Industrial applications include cutting tools for difficult-to-cut materials such as aluminum, precision molds such as lenses that require demolding, HDD magnetic heads, and protective films for disks. Automotive parts that make use of tribological (lubricating) characteristics and coatings on the inner wall of plastic bottles that make use of gas barrier properties are attracting attention and are being put to practical use. In addition, DLC is regarded as a next-generation semiconductor, and development utilizing the property of making it a variable bandgap semiconductor is also expected.

現在の製造方法としては、高周波プラズマ法とイオン化蒸着法が主に用いられている。高周波プラズマ法はメタンガスを原料に使い、容量結合型のプラズマ電極を用いて成膜が行われる。膜質は膜中水素が多いため、平滑性に優れ摩擦係数も小さいが、若干硬度が低いといわれている。   As a current manufacturing method, a high-frequency plasma method and an ionized vapor deposition method are mainly used. In the high-frequency plasma method, methane gas is used as a raw material, and film formation is performed using a capacitively coupled plasma electrode. It is said that the film quality is smooth because it has a lot of hydrogen in the film, and it has excellent smoothness and a small coefficient of friction, but its hardness is slightly low.

一方、イオン化蒸着法は原料にベンゼンを用い、イオン化した炭化水素を直流で加速するため、膜中から水素が叩き出されて膜が硬くなるが、若干面粗度が悪くなるといわれている。 On the other hand, in the ionized vapor deposition method, benzene is used as a raw material, and ionized hydrocarbons are accelerated by direct current. Therefore, hydrogen is blown out from the film and the film becomes hard, but it is said that the surface roughness is slightly deteriorated.

このため、高周波プラズマ法は摺動用途に向き、イオン化蒸着法は金型や刃物等に用いられている。しかし、用途によってはこれらの欠点と思われる点は大きな問題とされず、すでに量産で用いられている製品も少なくない。とくに基材が絶縁体の場合は、高周波プラズマ法がチャージアップを起こしにくく多用されている。 For this reason, the high-frequency plasma method is suitable for sliding applications, and the ionized vapor deposition method is used for dies and blades. However, depending on the application, the point considered to be these disadvantages is not a big problem, and many products are already used in mass production. In particular, when the base material is an insulator, the high-frequency plasma method is frequently used because it hardly causes charge-up.

尚、高周波プラズマ法によるDLC膜の形成方法は、例えば、特許文献1に記載されている。 しかし、高周波プラズマ法やイオン化蒸着法といった従来のDLC膜の形成方法では、DLCを成膜させるのに、成膜させる対象物近傍を高真空度の環境にしなければならず、設備が大掛かりになるし、また、生産性も高いとはいえなかった。   Note that a method for forming a DLC film by a high-frequency plasma method is described in Patent Document 1, for example. However, in the conventional DLC film forming methods such as the high-frequency plasma method and the ionization vapor deposition method, in order to form the DLC, the vicinity of the object to be formed must be in a high vacuum environment, which requires a large amount of equipment. Moreover, the productivity was not high.

また、関連技術に関して、特許文献2には、擬似ダイヤモンド被膜を形成するのに熱フィラメント蒸着反応装置を用いることが記載されているが、この熱フィラメント蒸着反応装置もまた、真空雰囲気中での成膜であるので、設備が大掛かりになるし、また、生産性も高くないという問題があった。また、特許文献3には、メタンガスを原料ガスとしてマイクロ波プラズマCVD法によりダイヤモンド粒子を形成することが記載されているが、このマイクロ波プラズマCVD法も真空雰囲気中での成膜であるので、設備が大掛かりになるし、また、生産性も高くない。更に、特許文献4には、熱フィラメントCVD法により被処理材表面に黒鉛質やダイヤモンド質粒子を生成することが記載されているが、この熱フィラメントCVD法もまた、真空雰囲気中での成膜であるので、設備が大掛かりになるし、また、生産性も高くない。
特開2005−002377号公報 特許第2939272号明細書 特開2002−281991号公報 特開2004−288460号公報
Regarding the related art, Patent Document 2 describes that a hot filament deposition reactor is used to form a pseudo diamond film. This hot filament deposition reactor is also used in a vacuum atmosphere. Since it is a membrane, there is a problem that the equipment becomes large and the productivity is not high. Further, Patent Document 3 describes that diamond particles are formed by microwave plasma CVD using methane gas as a raw material gas. Since this microwave plasma CVD is also a film formation in a vacuum atmosphere, The equipment is large and the productivity is not high. Furthermore, Patent Document 4 describes that graphite or diamond particles are generated on the surface of a material to be processed by a hot filament CVD method. This hot filament CVD method is also used for film formation in a vacuum atmosphere. Therefore, the equipment becomes large and the productivity is not high.
JP-A-2005-002377 Japanese Patent No. 2939272 JP 2002-281991 A JP 2004-288460 A

上記したように、従来行われてきたほとんどのDLC作製法は1〜10Pa程度の低圧力下のプラズマを利用する、つまり真空装置が必要であり、装置の大きさや多大な生産コストがさらなるDLCの用途拡大と発展への課題となっている。 As mentioned above, most conventional DLC fabrication methods use plasma under a low pressure of about 1 to 10 Pa, that is, a vacuum device is required. This is an issue for expanding and developing applications.

そこで数年前、本発明者らは、真空装置が不要の安価で小型な自作装置でのDLC作製を試み成功した。これによりDLCの可能性がさらに広がったと考えるが、膜と基板の付着力の低さや、この作製法の要である温度が装置にかける負担など問題も多い。また、作製された膜の情報も充分でない。 Thus, several years ago, the present inventors succeeded in trying to manufacture DLC with an inexpensive and small self-made device that does not require a vacuum device. Although this seems to have further expanded the possibilities of DLC, there are many problems such as low adhesion between the film and the substrate and the burden on the device due to the temperature required for this fabrication method. In addition, information on the produced film is not sufficient.

本発明では実験を通じて、様々な作製条件で作製した膜の構造の変化をラマン分光法など用いて分析、評価し、より実用的で優れたDLC膜作製の条件を検討し提案する。 In the present invention, through experiments, changes in the structure of a film produced under various production conditions are analyzed and evaluated using Raman spectroscopy or the like, and more practical and excellent conditions for producing a DLC film are examined and proposed.

したがって本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、触媒を用いずにDLCを作製することで、触媒の不均一な堆積に影響されない、より表面平滑な膜を作製するダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and its object is to produce DLC without using a catalyst, and thereby to produce a diamond having a smoother surface that is not affected by uneven deposition of the catalyst. The object is to provide a method for producing a like carbon film.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、サファイア単結晶を含む基体を、触媒なしで、常圧の炭化水素ガス含有雰囲気中で1000℃以上に加熱することにより、基体の表面上に、炭化水素ガスの熱分解によるダイヤモンドライクカーボン膜を形成する工程を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is directed to heating the substrate containing a sapphire single crystal to 1000 ° C. or higher in a normal pressure hydrocarbon gas-containing atmosphere without a catalyst. It has the process of forming the diamond-like carbon film by thermal decomposition of hydrocarbon gas on the surface.

請求項2に記載の発明は、請求項1記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法であって、加熱時間は60分以上であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the method for producing a diamond-like carbon film according to claim 1, characterized in that the heating time is 60 minutes or more.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法であって、加熱時間経過後、炭化水素ガスの供給を停止し、後処理用のガスを供給しつつ温度を徐々に低下させる工程をさらに有することを特徴とする。 Invention of Claim 3 is a manufacturing method of the diamond-like carbon film of Claim 1 or 2, Comprising: After heating time progresses, supply of hydrocarbon gas is stopped, and gas for post-processing is supplied The method further includes a step of gradually lowering the temperature .

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法であって、炭化水素ガスは、プロパンを含有するガスであることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項4記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法であって、炭化水素ガスに水素ガスを混合することを特徴とする。
The invention of claim 4 is a method for producing a diamond-like carbon film of any one of claims 1 to 3, a hydrocarbon gas, characterized in that it is a gas containing propane.
A fifth aspect of the present invention is a method for producing a diamond-like carbon film according to the fourth aspect of the present invention, wherein hydrogen gas is mixed with hydrocarbon gas.

本発明によれば、サファイア単結晶を含む基体を、炭化水素ガス含有雰囲気中で1000℃以上に加熱することにより、基体の表面上に炭化水素ガスの熱分解によるダイヤモンドライクカーボン膜を形成することができるので、触媒の不均一な堆積に影響されない、より表面平滑な膜を作製することができる。   According to the present invention, a diamond-like carbon film is formed on the surface of a substrate by thermal decomposition of the hydrocarbon gas by heating the substrate containing the sapphire single crystal to 1000 ° C. or higher in a hydrocarbon gas-containing atmosphere. Therefore, a smoother film that is not affected by uneven deposition of the catalyst can be produced.

(実施形態)
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施形態に係る成膜装置をブロック図で示したものである。
本成膜装置には、加熱装置1aには加熱手段1bが設けられており、この加熱装置1a内には、成膜させる基体Sが基体Sの支持装置1cに取り付けられている。加熱手段1bは電源4からの電力を受けて加熱装置1a内を加熱するものであり、電熱線や誘導加熱装置や赤外線照射装置などがある。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a film forming apparatus according to this embodiment.
In this film forming apparatus, a heating unit 1b is provided in the heating apparatus 1a, and a substrate S on which a film is to be formed is attached to a support device 1c for the substrate S in the heating apparatus 1a. The heating means 1b receives electric power from the power source 4 and heats the inside of the heating device 1a, and includes a heating wire, an induction heating device, an infrared irradiation device, and the like.

加熱装置1aには、ガス供給源2から炭化水素ガス含有ガスが所定の流量で連続的に供給される。このガス流量は、流量制御装置3により制御される。流量制御装置3は、流量計及びこの流量計からの流量データに基づいて流量を一定に維持する制御装置と、この制御装置からの指令により流量を調整するバルブとを有している。なお、この流量制御は、ガス供給源2から供給されるガスの流量があらかじめ定まっている場合には省略することも可能である。   A hydrocarbon gas-containing gas is continuously supplied from the gas supply source 2 to the heating device 1a at a predetermined flow rate. The gas flow rate is controlled by the flow rate control device 3. The flow control device 3 includes a flow meter, a control device that maintains the flow rate constant based on flow data from the flow meter, and a valve that adjusts the flow rate according to a command from the control device. This flow rate control can be omitted when the flow rate of the gas supplied from the gas supply source 2 is determined in advance.

加熱装置1aには温度制御装置5が設けられている。この温度制御装置5は、温度計と、この温度計からの温度データに基づいて加熱装置内を一定温度に維持する制御装置とを有していて、この制御装置からの信号に従って電力を調整し、加熱装置1a内の温度を一定に保つ。なお、加熱装置1a内の温度調整、温度維持の制御は、簡易的には、手動で行うことができ、この場合は温度制御装置5を省略することもできる。   A temperature control device 5 is provided in the heating device 1a. The temperature control device 5 includes a thermometer and a control device that maintains the inside of the heating device at a constant temperature based on temperature data from the thermometer, and adjusts electric power according to a signal from the control device. The temperature in the heating device 1a is kept constant. In addition, the temperature adjustment and the temperature maintenance control in the heating device 1a can be simply performed manually, and in this case, the temperature control device 5 can be omitted.

(実験装置)
プラズマCVD装置による成膜やPLD法による成膜と違い、それ専用とした既製の実
験装置はない。よって、本実験では、実験装置は自ら組立て使用した。組み立てるのに使
用した材料は以下のとおり。組立てた装置は図2に示す。
・ 石英管(長さ:800mm、内円直径:18mm、外円直径:20mm)
・ カンタル線 直径1.0mm 株式会社ニラコ 製
・ チューブ 2本 (原料ガス導入用、排気用)
・ ノビックス (シリコン栓と石英管の隙間をなくすため)
・ シリコン栓
・ 断熱ブロック 5個
・ スライドトランス(電圧源)
・ アルミナグラスウール(断熱用)
(Experimental device)
Unlike the film formation by the plasma CVD apparatus and the film formation by the PLD method, there is no ready-made experimental apparatus dedicated to it. Therefore, in this experiment, the experimental apparatus was assembled and used by itself. The materials used to assemble are as follows. The assembled device is shown in FIG.
・ Quartz tube (length: 800mm, inner circle diameter: 18mm, outer circle diameter: 20mm)
・ Kanthal wire diameter 1.0 mm Made by Niraco Co., Ltd. ・ 2 tubes (for gas introduction and exhaust)
・ Novix (to eliminate the gap between the silicon stopper and the quartz tube)
・ Silicon stopper
・ Five heat insulation blocks ・ Slide transformer (voltage source)
・ Alumina glass wool (for heat insulation)

図2に示すように、加熱装置となる石英管11aの外周面に電熱線であるカンタル線11bを巻き掛け、このカンタル線11bを電源であるスライドトランス14に接続し、また、石英管11aの両端面にはそれぞれガス導入、排出用のチューブを接続し、一方のチューブからAr−CH混合ガスを石英管11a内に連続的に導入し、他方のチューブから使用後のガスを排出する。カンタル線11bの周りには断熱用アルミナグラスウールを巻きつけ、さらにその装置を断熱ブロック上に配置することで実験装置は完成である。この石英管11a内に基板Sを入れて、ガスを流しながら加熱する。 As shown in FIG. 2, a Kanthal wire 11b as a heating wire is wound around an outer peripheral surface of a quartz tube 11a serving as a heating device, and this Kanthal wire 11b is connected to a slide transformer 14 as a power source. Both end faces are connected to gas introduction and discharge tubes, respectively, and an Ar—CH 4 mixed gas is continuously introduced from one tube into the quartz tube 11a, and the used gas is discharged from the other tube. A thermal insulation alumina glass wool is wound around the Kanthal wire 11b, and the apparatus is placed on a heat insulation block, thereby completing the experimental apparatus. The substrate S is placed in the quartz tube 11a and heated while flowing a gas.

(試料及び原材料)
本実験では、炭化水素ガス含有ガスとしてAr−CH混合ガス(Ar90%
、CH10%)、Ar−C混合ガス(Ar90% 、C10%)を用い、成膜させる基板としてp−タイプSi(100)ウェハー、Al(0001)ウェハーを用い、触媒として硝酸ニッケル水溶液を用いた。
(Samples and raw materials)
In this experiment, Ar—CH 4 mixed gas (Ar 90%) was used as the hydrocarbon gas-containing gas.
, CH 4 10%), Ar—C 3 H 8 mixed gas (Ar 90%, C 3 H 8 10%), a p-type Si (100) wafer, Al 2 O 3 (0001) as a substrate for film formation A wafer was used, and an aqueous nickel nitrate solution was used as a catalyst.

Si基板上に触媒として硝酸ニッケルを使用した。触媒として使用するのに適した量をSi基板10mm×10mm表面のSi原子の数(約1015個)の約10分の1とし約1014個のニッケル原子を基板上にのせた。その計算式と作業は以下の通りである。
1. Si基板10mm×10mmの平均面密度を計算した。
Si原子数:28.09、比重:2.33g/cm3 より
2.33÷28.01×(6.02×1023)≒4.99×1022個/cm3 → 1cm3あたりのSi原子数
(4.99×1022)2/3≒1.36×1015個/cm2 → 1cm2あたりのSi原子数
2.Si基板にのせる硝酸ニッケル水溶液xlの中にSi原子1/10個のNi原子がいる時の濃度をamol/lとし、関係式を求めた。
1より、Si原子1/10個=1.36×1014
1.36×1014÷(6.02×1023)≒2.26×10-10mol
∴ax=2.26×10-10mol …(A)
3. Si基板10mm×10mm上に硝酸ニッケル水溶液が0.128mlのることから式(A)より必要な硝酸ニッケルの濃度を計算した。
a=2.26×10-10÷(0.128×10-3)≒1.76×10-6mol/l
4.硝酸ニッケルを蒸留水に溶かし何倍に薄め手順3で求めた濃度の水溶液を作製した。
5.超音波洗浄したSi基板上に手順4で作製した水溶液を0.128ml垂らし、HOT
PLATEを使用して約100℃で水分を蒸発させ、堆積させた。
なお、ここで作製した水溶液はAl2O3基板上にも使用した。
Nickel nitrate was used as a catalyst on the Si substrate. The amount suitable for use as a catalyst was about 1/10 of the number of Si atoms (about 10 15 ) on the surface of the Si substrate 10 mm × 10 mm, and about 10 14 nickel atoms were placed on the substrate. The calculation formula and work are as follows.
1. The average surface density of the Si substrate 10 mm × 10 mm was calculated.
Si atoms: 28.09, specific gravity: 2.33g / cm 3
2.33 ÷ 28.01 × (6.02 × 10 23 ) ≒ 4.99 × 10 22 / cm 3 → number of Si atoms per 1 cm 3
(4.99 × 10 22 ) 2/3 ≒ 1.36 × 10 15 / cm 2 → Number of Si atoms per 1 cm 2
2. The concentration when the Ni nitrate aqueous solution xl placed on the Si substrate contains 1/10 Si atoms of Ni atoms was set to amol / l, and the relational expression was obtained.
From 1, 1/10 Si atoms = 1.36 x 10 14
1.36 × 10 14 ÷ (6.02 × 10 23 ) ≒ 2.26 × 10 -10 mol
∴ax = 2.26 × 10 -10 mol… (A)
3. Since the nickel nitrate aqueous solution was 0.128ml on the Si substrate 10mm x 10mm, the required concentration of nickel nitrate was calculated from the formula (A).
a = 2.26 × 10 -10 ÷ (0.128 × 10 -3 ) ≒ 1.76 × 10 -6 mol / l
Four. Nickel nitrate was dissolved in distilled water and diluted several times to prepare an aqueous solution having the concentration determined in Procedure 3.
Five. Drop 0.128 ml of the aqueous solution prepared in Step 4 on the ultrasonically cleaned Si substrate,
Water was evaporated and deposited at about 100 ° C. using PLATE.
The aqueous solution prepared here was also used on an Al 2 O 3 substrate.

(実験1)
メタン(CH4)は熱というエネルギーを得ることにより、次式のように炭素と水素に分解される。
CH4→C+2H2
ここで分解された炭素はsp2結合(グラファイト結合)やsp3結合(ダイヤモンド結合)など様々な結合形態をとっており、これらが基板上に堆積することによってDLC膜が作製できると考えられる。しかし、これまでの研究より、熱エネルギーのみでのメタン分解はこの実験系における温度の限界上難しいことが分かっている。また、触媒を用いることでメタン分解が促進され、熱エネルギーだけでは作製できなかった温度でDLC膜が作製できることが報告されている。そこで実験1では、まず先行研究の再現実験を行う。
(Experiment 1)
Methane (CH 4 ) is decomposed into carbon and hydrogen as shown in the following equation by obtaining energy called heat.
CH 4 → C + 2H 2
The decomposed carbon takes various bond forms such as sp 2 bond (graphite bond) and sp 3 bond (diamond bond), and it is considered that a DLC film can be produced by depositing these on the substrate. However, previous studies have shown that methane decomposition using only thermal energy is difficult due to temperature limitations in this experimental system. In addition, it has been reported that by using a catalyst, methane decomposition is promoted and a DLC film can be produced at a temperature that could not be produced only by thermal energy. Therefore, in Experiment 1, a reproduction experiment of the previous study is first performed.

(触媒)
まず、触媒(catalyst)とは、特定の化学反応を促進する物質で、固体、気体、液体と形態を問わず、作用中、自身は変化し続けるが、消費・再生を繰り返し、反応の前後で正味の増減はないものをいう。触媒が持つ作用(触媒作用、catalysis)自体を指す場合もある。触媒は反応物と反応中間体を形成することで、反応に必要とされる活性化エネルギーの低い別の反応経路を生み出す。これにより、触媒が存在しない場合よりも反応が進行する。しかし、反応が平衡状態だと組成の割合は触媒がない時と同じとなる。
(catalyst)
First, a catalyst is a substance that promotes a specific chemical reaction, and it continues to change during operation regardless of solid, gas, liquid, and form, but consumption and regeneration are repeated before and after the reaction. This means that there is no net increase or decrease. It may also refer to the action of the catalyst (catalysis). The catalyst forms a reaction intermediate with the reactant, thereby creating another reaction pathway with low activation energy required for the reaction. Thereby, reaction advances rather than the case where a catalyst does not exist. However, when the reaction is in equilibrium, the composition ratio is the same as when there is no catalyst.

(硝酸ニッケル水溶液)
本実験では触媒の1例として硝酸ニッケルを使用した。硝酸ニッケルを化学式で書くとNi(NO3)2・6H2Oとなり式量は290.8である。水に大変溶けやすく、水に対する溶解度は94.2g/100g(25℃)である。また、アルコールにも溶ける。保管の際には湿度の低いところで密閉することが必要である。特徴としては、吸熱反応があげられ、触媒として使用した際、表面に炭素が析出されやすい傾向がある。メタン等の飽和炭化水素を、硝酸ニッケルを触媒として用いて直接分解する場合、水素と炭素のみを生成するので本実験に適した反応であると考えられる。
(Nickel nitrate aqueous solution)
In this experiment, nickel nitrate was used as an example of the catalyst. When nickel nitrate is written in chemical formula, it becomes Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, and the formula weight is 290.8. It is very soluble in water, and its solubility in water is 94.2g / 100g (25 ° C). It is also soluble in alcohol. When storing it, it is necessary to seal it in a place with low humidity. The characteristic is an endothermic reaction, and when used as a catalyst, carbon tends to be deposited on the surface. When a saturated hydrocarbon such as methane is directly decomposed using nickel nitrate as a catalyst, it is considered to be a reaction suitable for this experiment because it produces only hydrogen and carbon.

(実験)
Si試料を実験装置内に導入し、Ar-CH4混合ガスを流量200ml/minで流した。石英管内がAr-CH4ガスで充満したと判断した後、スライドトランスを用いてカンタル線に電流を流し、熱を発生させた。カンタル線の温度を1350℃まで上げ60分間加熱した。なお、温度はオプティカルパイロメーター、流量は流量計を用いて測定した。そして実験後、基板を装置内から取り出し、XPSピークを測定した。また、比較のために純粋なグラファイトのXPSピークも測定した。
(Experiment)
A Si sample was introduced into the experimental apparatus, and an Ar—CH 4 mixed gas was flowed at a flow rate of 200 ml / min. After judging that the quartz tube was filled with Ar—CH 4 gas, a current was passed through the Kanthal wire using a slide transformer to generate heat. The temperature of the Kanthal wire was raised to 1350 ° C. and heated for 60 minutes. The temperature was measured using an optical pyrometer, and the flow rate was measured using a flow meter. After the experiment, the substrate was taken out from the apparatus and the XPS peak was measured. For comparison, the XPS peak of pure graphite was also measured.

(結果)
触媒をのせた部分に光沢のある膜が作製された。作製された膜はピンセットで引っかいても壊れず、目で分かる厚さと弾力があるが、Si基板との密着性は低いように感じられる。この付着力が低い原因として残留応力が挙げられる。残留応力とは外力や熱を取り除いた後にも生じている薄膜内部の応力のことであり、薄膜に亀裂を生じさせたり、膜を基板から剥離させたりする。残留応力が生じる最大の原因としてまず温度が考えられる。この作製法では非常に高温な装置内で成膜を行うため、基板と作製された膜も非常に高温な状態にある。そして成膜後、室温に冷却される際に作製された膜と基板の熱膨張率の違いにより残留応力が生じる。この残留応力は膜が厚く、硬度が大きくなると増加するといわれる。また、作製された膜の亀裂を促進させるものとして基板上の触媒の不均一な堆積が考えられる。
(result)
A glossy film was produced on the part on which the catalyst was placed. The produced film does not break even when it is scratched with tweezers and has a thickness and elasticity that can be seen with eyes, but it seems that the adhesion to the Si substrate is low. Residual stress can be cited as a cause of this low adhesion. The residual stress is a stress inside the thin film that is generated even after the external force or heat is removed, and causes the thin film to crack or peel the film from the substrate. First, temperature is considered as the largest cause of residual stress. In this manufacturing method, film formation is performed in a very high temperature apparatus, so that the substrate and the manufactured film are also in a very high temperature state. After the film formation, residual stress is generated due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the produced film and the substrate when cooled to room temperature. This residual stress is said to increase as the film becomes thicker and the hardness increases. Moreover, non-uniform deposition of the catalyst on the substrate can be considered as a means of promoting cracks in the produced film.

作製した膜のXPSと純粋なグラファイトの炭素1s電子のXPSスペクトル(270〜300eV)をそれぞれ図3、図4に示す。また、それぞれのピーク値を図5、図6に示す。図3をみると285.4eVと283.5eVにピークが2つあり、文献値より、それぞれがsp3結合とsp2結合を示すピークのように思われる。しかし、図4より、純粋なグラファイトのスペクトルが285.3eVと283.8eVにピークをもち、若干半値幅に違いはあるものの図3のスペクトル波形とほぼ一致していることが分かる。それゆえ、XPSを用いてのDLCの判断は難しいと考え、次の実験からはXPSの測定を行わず、DLCの同定に最もよく用いられるラマンでの評価を行うこととする。なお、純粋なグラファイトに2本ピークが現れた原因としてはグラファイトに存在する二つの結晶形(六方晶系黒鉛構造と菱面体晶系黒鉛構造)によるわずかな結合エネルギーの差が考えられる。実験1ではラマン分光法による評価は行わず、これまでの先行研究で作製された膜との見た目の比較と、XPSから得た炭素スペクトルの情報より作製された膜はDLCであると判断する。 FIG. 3 and FIG. 4 show XPS spectra (270 to 300 eV) of carbon 1s electrons of the prepared film and pure graphite carbon, respectively. Moreover, each peak value is shown in FIG. 5, FIG. When FIG. 3 is seen, there are two peaks at 285.4 eV and 283.5 eV, and from the literature values, it seems to be peaks indicating sp 3 bond and sp 2 bond, respectively. However, it can be seen from FIG. 4 that the spectrum of pure graphite has peaks at 285.3 eV and 283.8 eV, which are almost the same as the spectrum waveform of FIG. Therefore, it is considered difficult to determine DLC using XPS. From the next experiment, XPS measurement will not be performed, and Raman evaluation, which is most often used for DLC identification, will be performed. The reason why two peaks appear in pure graphite is considered to be a slight difference in binding energy due to two crystal forms (hexagonal graphite structure and rhombohedral graphite structure) existing in graphite. In Experiment 1, the evaluation by Raman spectroscopy is not performed, and it is judged that the film produced from the information of the carbon spectrum obtained from XPS is DLC by comparing the appearance with the film produced in the previous research.

(実験2)
これまでの先行研究より、触媒を用いることで原料ガスの分解が促進されSi基板上にDLC膜が作製できることが報告されている。実験1ではその再現実験を行った。そこで、実験2では、Si以外の基板としてAl2O3上にDLC膜を作製できないか、様々な条件の下試みる。
(Experiment 2)
Previous studies have reported that the use of a catalyst accelerates the decomposition of the source gas and allows the production of a DLC film on the Si substrate. In Experiment 1, the reproduction experiment was performed. Therefore, in Experiment 2, a DLC film can be formed on Al 2 O 3 as a substrate other than Si under various conditions.

(基板)
サファイア単結晶は、機械的強度、化学的安定性、光学特性、電気的特性、熱伝導性に優れており、熱などに対する高い耐久性が求められる環境下ではシリコンやセラミックにとって変わる材料となっている。主成分は酸化アルミニウムで0.1〜0.2%のTiO2と若干のFe2O3を含む。サファイアの構造を図3に示す。
なお、今回使用したサファイア基板の詳細を以下に記す。
・作製法:Czochralski法
・結晶構造:六方晶系 a=4.758Å c=12.992Å
・結晶純度:99.99%
・密度:3.98g/cm3
・融点:2040℃
・熱膨張率:7.5(×10-6/℃)
・面方位:<0001> C-plane
・表面光沢:片面のみ
・表面でこぼこ:<5Å
(substrate)
Sapphire single crystal has excellent mechanical strength, chemical stability, optical properties, electrical properties, and thermal conductivity, and is a material that can be replaced by silicon and ceramics in environments where high durability against heat is required. Yes. The main component is aluminum oxide containing 0.1 to 0.2% TiO 2 and some Fe 2 O 3 . The structure of sapphire is shown in FIG.
Details of the sapphire substrate used this time are described below.
・ Production method: Czochralski method
・ Crystal structure: Hexagonal system a = 4.758Å c = 12.992Å
・ Crystal purity: 99.99%
・ Density: 3.98g / cm 3
Melting point: 2040 ° C
・ Thermal expansion coefficient: 7.5 (× 10 -6 / ℃)
-Plane orientation: <0001> C-plane
・ Surface gloss: Only on one side ・ Bumps on the surface: <5mm

(熱電対)
2種類の異なる金属線を接続し、その接点を異なる温度に保つと回路に電流が流れる。この現象をゼーベック(Seebeck)効果という。電位差計を挿入してこの時の起電力[mV]を測定すると、その値は2種類の金属の種類と両接点の温度によって定まる。それゆえ一定の金属線を用い、0℃を基準とし、両接点の温度を種々の既知温度として起電力を測っておけば、これは一種の温度計として利用することができる。[13]
(thermocouple)
If two different metal wires are connected and their contacts are kept at different temperatures, current flows through the circuit. This phenomenon is called the Seebeck effect. When a potentiometer is inserted and the electromotive force [mV] at this time is measured, the value is determined by the type of two metals and the temperature of both contacts. Therefore, if a constant metal wire is used, and the electromotive force is measured with reference to 0 ° C. and the temperatures at both contacts as various known temperatures, this can be used as a kind of thermometer. [13]

(K形熱電対(クロメル-アルメル熱電対、CA熱電対))
クロメルとアルメルはお互いに酸化しにくい合金であり、-200〜1100℃の範囲で使用できるので、高温の測定には最もよく用いられている。1℃の変化に対する熱起電力変化は約0.041mVで、温度と起電力の関係は直線に近い。長時間高温で使用すると起電力が変化することがあるので、時々検定すべきである。なお、アルメル線は弱く、切れやすいので1000℃以上で常用するには1mmφ以下では不適当である。高温での使用においてはクロメル線が+、アルメル線が&#8722;であり、アルメル線が容易に磁石につくことで区別可能である。
(K-type thermocouple (chromel-alumel thermocouple, CA thermocouple))
Chromel and alumel are alloys that are unlikely to oxidize each other and can be used in the range of -200 to 1100 ° C, so they are most often used for high temperature measurements. The thermoelectromotive force change for a change of 1 ℃ is about 0.041mV, and the relationship between temperature and electromotive force is close to a straight line. Since the electromotive force may change when used at a high temperature for a long time, it should be verified from time to time. Since alumel wire is weak and easily cut, it is unsuitable for 1 mmφ or less for regular use above 1000 ° C. When used at high temperatures, the chromel wire is + and the alumel wire is &#8722; and the alumel wire can be easily distinguished by attaching to the magnet.

なお、本実験ではクロメル-アルメル熱電対を自ら作り使用した。クロメル、アルメルの成分は以下の通りである。また、実験ではクロメル、アルメルの端子をデジタルマイクロメーターに接続することで電位差を温度変換し測定した。
(クロメル:Ni 89.0%, Cr 9.4%, Fe 1.0%, Mn 0.2%) 直径0.20mm 株式会社ニラコ 製
(アルメル:Ni 94.0%, Al 2.0%, Si 1.0%, Fe 0.5%, Mn 2.5%) 直径0.2mm 株式会社ニラコ製
In this experiment, a chromel-alumel thermocouple was made and used. The components of chromel and alumel are as follows. In the experiment, the potential difference was measured by converting the potential difference by connecting the chromel and alumel terminals to a digital micrometer.
(Chromel: Ni 89.0%, Cr 9.4%, Fe 1.0%, Mn 0.2%) Diameter 0.20mm
(Alumel: Ni 94.0%, Al 2.0%, Si 1.0%, Fe 0.5%, Mn 2.5%) Diameter 0.2mm Made by Nilaco Corporation

(実験)
実験1のSi基板同様に超音波洗浄したAl2O3基板に硝酸ニッケル水溶液を堆積させたもの、堆積させないものと条件を変え、計4つ用意した。その後試料を実験装置内に導入し、Ar-CH4
ガスを流量200ml/min流し、石英管内がAr-CH4ガスで充満したと判断した後、スライドトランスを用いてカンタル線に電流を流した。カンタル線の温度を1300℃、1200℃と試料ごとに変え60分間加熱した。加熱後、Ar-CH4
ガスを止め、電流を徐々に下げる間、実験装置内にN2ガスとH2ガスを試料ごとに変え、流量100ml/minで流した。なお、温度はクロメルとアルメルの熱電対、流量は流量計を用いて測定した。上記で述べた4つの試料(試料A〜D)の条件をまとめ、以下に示す。
試料A : 硝酸ニッケルあり 1200℃で60分間堆積後N2ガス処理
試料B : 硝酸ニッケルあり 1300℃で60分間堆積後N2ガス処理
試料C : 硝酸ニッケルあり 1300℃で60分間堆積後H2ガス処理
試料D : 硝酸ニッケルなし 1300℃で60分間堆積後N2ガス処理
そして実験後、基板を装置内から取り出し、ラマン分光器を用いてそれぞれのラマンスペクトルを測定した。この時、比較のために同じ分光器で純粋なグラファイトとダイヤモンドのラマンスペクトルも測定した。ラマン測定の条件を以下に示す。
(Experiment)
In the same manner as in the Si substrate of Experiment 1, four conditions were prepared by changing the conditions such that the nickel nitrate aqueous solution was deposited on the Al 2 O 3 substrate ultrasonically cleaned and not deposited. The sample was then introduced into the experimental apparatus and Ar-CH 4
The gas was flowed at a flow rate of 200 ml / min. After judging that the quartz tube was filled with Ar—CH 4 gas, a current was passed through the Kanthal wire using a slide transformer. The temperature of the Kanthal wire was changed to 1300 ° C and 1200 ° C for each sample and heated for 60 minutes. After heating, Ar-CH 4
While the gas was stopped and the current was gradually lowered, N 2 gas and H 2 gas were changed into the experimental apparatus for each sample and flowed at a flow rate of 100 ml / min. The temperature was measured using a chromel and alumel thermocouple, and the flow rate was measured using a flow meter. The conditions of the four samples (samples A to D) described above are summarized and shown below.
Sample A: Nickel nitrate Yes 1200 ° C. at 60 minutes post-deposition N 2 gas treatment Sample B: Nickel nitrate Yes 1300 ° C. after 60 minutes deposition N 2 gas treated sample C: Nickel nitrate Yes 1300 ° C. at 60 minutes post-deposition H 2 gas Processed sample D: No nickel nitrate After deposition at 1300 ° C. for 60 minutes, after treatment with N 2 gas and the experiment, the substrate was taken out from the apparatus, and each Raman spectrum was measured using a Raman spectrometer. At this time, for comparison, Raman spectra of pure graphite and diamond were also measured with the same spectrometer. The conditions for Raman measurement are shown below.

(ラマン分光法 分析条件)
ラマン分光法による分析装置および測定条件を以下に記す。
・分析装置
測定装置:日本分光シングルモノクロメータ M50
グレーティング 1800本/mm
焦点距離 500mm
レーザー線源:Arイオンレーザー
検出器:LNCCD
・測定条件
レーザーパワー:200Mw
レーザー波長:514.5nm
測定時間:0.5秒
積算回数:100回
レーザー入射角:0度
(Raman spectroscopy analysis conditions)
The analysis apparatus and measurement conditions by Raman spectroscopy are described below.
・ Analyzer Measuring device: JASCO Single Monochromator M50
Grating 1800 / mm
Focal length 500mm
Laser source: Ar ion laser Detector: LNCCD
・ Measurement conditions Laser power: 200Mw
Laser wavelength: 514.5nm
Measurement time: 0.5 seconds Integration count: 100 times Laser incident angle: 0 degrees

(結果)
試料A〜DすべてのAl2O3基板両面に黒っぽい膜が作製された。それぞれの膜をピンセットで引っかいてみても壊れず、目で分かる厚さと弾力があるが、Al2O3基板との密着性は低いように感じられる(ここで付着力の低い原因については前述した通りである)。また、Al2O3の研磨してある平滑な面と、その裏側の研磨してないざらざらな面では膜の色、表面の平滑性が違ってみえる。
(result)
Blackish films were formed on both sides of the Al 2 O 3 substrates of all samples A to D. Even if each film is scratched with tweezers, it does not break, and there is a thickness and elasticity that can be seen with eyes, but it seems that the adhesion with the Al 2 O 3 substrate is low (the cause of the low adhesion is described above) Street). Also, the color of the film and the smoothness of the surface appear to be different between the smooth surface polished with Al 2 O 3 and the rough surface not polished on the back side.

次にラマン分光法による結果について考える。まず、純粋なグラファイトとダイヤモンドのラマンスペクトルを図7、図8としてそれぞれ示す。図7のスペクトルより、純粋なグラファイトのピークは1599cm-1であることが分かる。DLCの評価を行う際、このグラファイトの振動モードをGバンドと呼ぶ。また、グラファイトの欠陥、アモルファス炭素、ナノ粒子で構成されるDバンド(文献値では1350cm-1)の位置に何もピークが観測されていないことから、測定したグラファイトが欠陥のない純粋なグラファイトであることが確認できた。 Next, consider the results of Raman spectroscopy. First, the Raman spectra of pure graphite and diamond are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. From the spectrum of FIG. 7, it can be seen that the peak of pure graphite is 1599 cm −1 . When evaluating DLC, this vibration mode of graphite is called G band. In addition, since no peak was observed at the position of the D band (1350 cm -1 in the literature value) composed of graphite defects, amorphous carbon, and nanoparticles, the measured graphite was pure graphite with no defects. It was confirmed that there was.

次に図8のスペクトルより、純粋なダイヤモンドのピークが1333cm-1であることが分かる。半値幅がとても狭いことから非常に結晶性が良いといえる。次に条件を変えて作製された試料A〜Dのラマンスペクトルを比較の対象ごとにまとめ、図9、図10、図11、図12としてそれぞれ示す。比較した試料と目的はそれぞれ以下の通りである。
図9:試料A平滑な面/試料B平滑な面 ⇒ 温度の違いによる膜の構造比較(平滑な面)
図10:試料Aざらざらな面/試料Bざらざらな面 ⇒ 温度の違いによる膜の構造比較(ざらざらな面)
図11:試料B/試料C ⇒ 後処理の違いによる膜の構造比較
図12:試料D平滑な面/試料Dざらざらな面 ⇒ 触媒なしでDLC膜は作製できるか?
図9より、1200℃で作製された試料A平滑な面と1300℃で作製された試料B平滑な面のスペクトルには、それぞれ1350cm-1と1610cm-1、1350cm-1と1611cm-1にピークがみられる。
Next, it can be seen from the spectrum of FIG. 8 that the peak of pure diamond is 1333 cm −1 . Since the full width at half maximum is very narrow, it can be said that the crystallinity is very good. Next, Raman spectra of samples A to D produced under different conditions are summarized for each comparison target, and are shown as FIGS. 9, 10, 11, and 12, respectively. The compared samples and purposes are as follows.
Fig. 9: Sample A smooth surface / Sample B smooth surface ⇒ Comparison of membrane structure due to temperature difference (smooth surface)
Fig. 10: Rough surface of sample A / Rough surface of sample B ⇒ Comparison of film structure due to temperature difference (rough surface)
Fig. 11: Sample B / Sample C ⇒ Comparison of membrane structure due to differences in post-processing Fig. 12: Sample D smooth surface / Sample D rough surface ⇒ Can a DLC film be prepared without a catalyst?
From FIG. 9, the spectra of the prepared sample B smooth surface in Sample A smooth surface and 1300 ° C. made at 1200 ° C., a peak in each of 1350 cm -1 and 1610 cm -1, 1350 cm -1 and 1611cm -1 Is seen.

また、図10より、試料Aざらざらな面と試料Bざらざらな面のスペクトルには1367cm-1と1616cm-1、1347cm-1と1611cm-1にピークがみられる。1350cm-1付近に現れたピークは文献値よりDバンドのラマンピークであると考えられる。また、1610cm-1付近に現れたピークは図7から得た測定値に比べ11〜17cm-1高波数側にシフトしたGバンドのラマンピークであると考えられる。よって、試料Aと試料Bの両面に作製された膜は、2つのラマンピークをもつDLCの特徴を示していることからDLC膜であると判断できる。このことは、Al2O3の平滑な面とざらざらの面に作製された膜が、見た目は異なっても同じDLC膜であることを意味し、作製されるDLC膜の表面は基板表面に依存するということができる。また、DバンドとGバンドのラマン強度をそれぞれ比べると、1200℃で作製した試料Aは二つのラマン強度がほぼ同じなのに対し、1300℃で作製された試料BではDバンドの強度の方がGバンドの強度よりも明らかに大きいことが分かる。これは堆積温度が高くなるほど原料ガスの分解が進み、Dバンドを構成するグラファイト以外の炭素粒子が膜中を占める割合が大きくなったためと考える。そして、それら粒子が高温中で部分的に結晶化し膜質が硬くなったことで、Gバンドが高波数側へシフトし、Dバンドの粒子で一様な分子振動をするものが多くなるために、DバンドもGバンドと同じくらいシャープになると考えられる。ただし、Dバンドを構成する炭素粒子の詳細ついては検討中である。また、今回データは載せていないが、以前1150℃で60分間加熱した触媒付Al2O3基板にはなにも変化が起きなかったことから、原料ガスがメタンである場合、触媒を用いてもDLC膜作製には1200℃以上の温度が必要といえる。 Further, from FIG. 10, the spectrum of the sample A rough surface and the sample B rough surface is 1367cm -1 and 1616cm -1, a peak is observed in 1347Cm -1 and 1611cm -1. The peak appearing in the vicinity of 1350 cm -1 is considered to be a Raman peak in the D band from the literature values. In addition, the peak that appears in the vicinity of 1610 cm −1 is considered to be a G-band Raman peak shifted to a higher wavenumber of 11 to 17 cm −1 than the measured value obtained from FIG. Therefore, the films produced on both surfaces of Sample A and Sample B can be judged to be DLC films because they show the characteristics of DLC having two Raman peaks. This means that the Al 2 O 3 film produced on the smooth and rough surface is the same DLC film even if it looks different. The surface of the produced DLC film depends on the substrate surface. It can be said that. In addition, comparing the Raman intensity of the D band and G band, the sample A produced at 1200 ° C has almost the same Raman intensity, whereas the sample B produced at 1300 ° C has a stronger G band. It can be seen that it is clearly greater than the intensity of the band. This is thought to be because the decomposition of the source gas progressed as the deposition temperature increased, and the proportion of carbon particles other than graphite constituting the D band increased in the film. And because these particles are partially crystallized at high temperature and the film quality becomes hard, the G band shifts to the high wavenumber side, and there are many things that perform uniform molecular vibration with D band particles, The D band is thought to be as sharp as the G band. However, details of the carbon particles constituting the D band are under investigation. In addition, although no data has been posted this time, no change occurred in the Al 2 O 3 substrate with catalyst previously heated at 1150 ° C for 60 minutes, so if the raw material gas is methane, use a catalyst. However, it can be said that a temperature of 1200 ° C or higher is necessary for the production of DLC film.

次に図11をみる。図11より、試料Cのスペクトルは文献値と測定値と同じ1350cm-1と1599cm-1のピークをもつことから、試料表面に作製された膜はDLC膜であると判断できる。また、試料Bと異なり試料CのDバンドとGバンドのラマン強度はほぼ同じである。このことより、同じ温度で堆積させた膜でも、後処理が窒素か水素かで膜の構造が変化することが分かる。不活性ガスの窒素が膜に与える影響は少ないものとして、水素が与える膜への影響について考えてみる。最も考えられることは、Dバンドを構成する熱と触媒によって分解された様々な形態の炭素が、水素雰囲気中におかれた時、熱というエネルギーを得て再度水素と結合し飛んでいったということである。このことはDバンドを構成する炭素粒子の方がGバンドを構成するグラファイト粒子よりも化学的に不安定で結合力が弱いことを意味すると思われる。また、試料Cには試料BのようなGバンドの高波数側シフトがみられず、純粋なグラファイトと同じ位置にピークがあることについては、水素雰囲気中に膜をおくことで膜中の結晶性が崩れ、代わりに水素終端されたことで膜全体が軟化したと考えた。 Next, look at FIG. Than 11, the spectrum of Sample C can be determined that because of its peaks of the same 1350 cm -1 and 1599cm -1 and the measured values with the literature values, fabricated film on the sample surface is DLC film. Unlike sample B, the Raman intensity of the D band and G band of sample C is almost the same. From this, it can be seen that the film structure changes even if the film is deposited at the same temperature depending on whether the post-treatment is nitrogen or hydrogen. Assuming that the inert gas nitrogen has little effect on the film, let us consider the effect of hydrogen on the film. The most probable thing is that various forms of carbon decomposed by the heat and catalyst that make up the D band, when placed in a hydrogen atmosphere, gained heat energy and flew again with hydrogen. That is. This seems to mean that the carbon particles constituting the D band are chemically unstable and have a weaker binding force than the graphite particles constituting the G band. In addition, sample C does not show a high-frequency shift of the G band as in sample B, and there is a peak at the same position as pure graphite. It was thought that the entire film was softened due to the loss of properties and hydrogen termination instead.

最後に図12をみる。図12に示されたのは試料D、つまり両面触媒なしのAl2O3に作製された膜のラマンスペクトルである。平滑な面とざらざらな面のスペクトルは、それぞれ1350cm-1と1611cm-1、1358cm-1と1618cm-1にピークをもつことが分かる。これらのピークはそれぞれDバンドとGバンドのピークであると考えられ、つまり触媒なしでもDLC膜が作製できたということを意味する。しかし、先行研究より原料ガスをメタンとしてこの実験装置を用いた場合、1300℃での触媒を用いないDLC膜の作製は難しいとされている。しかも最初に述べた通り、作製された膜は決して脆くない。それゆえ考えられることは、Al2O3自体が触媒の機能をもつということである。これまでAl2O3が触媒であるという文献は確認していないが、おそらくAl2O3に含まれる0.1〜0.2%のTiO2
と若干のFe2O3 が触媒としてメタン分解を促進していると考える。よって今後Al2O3を基板として用いた場合、これまでのように基板の上に溶液を垂らすという作業を行う必要がないため、基板上の不均一な触媒の堆積がなくなり、膜の亀裂を生じる原因を1つ回避することができる。また、DLC膜の低摩擦という特性にとっても好都合であると考える。
なお、図9〜図12のグラフのDバンドとGバンドのラマンピーク値とその強度比を図13〜図16としてそれぞれ示した。
Finally, look at FIG. Shown in FIG. 12 is the Raman spectrum of sample D, a film made of Al 2 O 3 without a double-sided catalyst. Spectrum of rough surfaces and smooth surfaces, respectively 1350 cm -1 and 1611cm -1, it is found to have a peak at 1358cm -1 and 1618cm -1. These peaks are considered to be the D-band and G-band peaks, respectively, which means that a DLC film could be produced without a catalyst. However, according to previous studies, when this experimental apparatus was used with methane as the raw material gas, it was considered difficult to produce a DLC film without a catalyst at 1300 ° C. Moreover, as mentioned at the outset, the film produced is never brittle. Therefore, what is considered is that Al 2 O 3 itself has a catalytic function. So far, no literature has confirmed that Al 2 O 3 is a catalyst, but perhaps 0.1-0.2% TiO 2 in Al 2 O 3
And some Fe 2 O 3 is considered to promote methane decomposition as a catalyst. Therefore, when Al 2 O 3 is used as a substrate in the future, there is no need to hang the solution on the substrate as in the past, so there is no uneven catalyst deposition on the substrate, and the film cracks. One cause can be avoided. It is also considered advantageous for the low friction property of the DLC film.
In addition, the Raman peak value of D band and G band of the graph of FIGS. 9-12 and its intensity ratio are shown as FIGS. 13-16, respectively.

(実験3)
実験2より、Al2O3を基板として用いた場合、Si基板と異なり、触媒なしでもDLCを作製できることが分かった。これにより、触媒の不均一な堆積に影響されない、より表面平滑な膜が作製できると考える。しかし依然として解決すべき問題がある。まず一つ目はメタン分解に必要な温度である。本実験法でDLC膜を作製するには、触媒を用いても1200℃以上の温度が必要である。しかし、カンタル線と石英管の融点がそれぞれ1400℃、1500℃であるため、原料ガスをメタンにしてのDLC作製は実験系の破損を招きやすい。
(Experiment 3)
Experiment 2 shows that when Al 2 O 3 is used as a substrate, DLC can be produced without a catalyst unlike Si substrate. This makes it possible to produce a smoother film that is not affected by non-uniform deposition of the catalyst. But there are still problems to be solved. The first is the temperature required for methane decomposition. In order to produce a DLC film by this experimental method, a temperature of 1200 ° C. or higher is required even if a catalyst is used. However, since the melting points of Kanthal wire and quartz tube are 1400 ° C and 1500 ° C, respectively, the production of DLC using methane as the source gas tends to cause damage to the experimental system.

そこで実験3ではメタンの代わりにプロパンを用いてDLC膜作製を試みる。プロパンはメタンより分子間の結合エネルギーが小さいため、より低温で分解できる可能性がある。二つ目の問題点は、作製された膜と基板の密着性の低さである。この問題には水素で対応する。水素ガスを炭化水素ガスと一緒に流し、水素分子を余計な炭素原子と再結合させることにより膜厚を抑える。それにより残留応力が小さくなり、密着性の向上が期待できると考える。 Therefore, in Experiment 3, we tried to make a DLC film using propane instead of methane. Since propane has a lower intermolecular bond energy than methane, it may be decomposed at lower temperatures. The second problem is low adhesion between the produced film and the substrate. This problem is addressed with hydrogen. The film thickness is suppressed by flowing hydrogen gas together with hydrocarbon gas and recombining hydrogen molecules with extra carbon atoms. As a result, the residual stress is reduced, and an improvement in adhesion can be expected.

(プロパン)
プロパンとは、化学式C3H8にて表される鎖式飽和炭化水素の一つである。分子量は44、無色で加熱性を持ち、常温では気体で酸化されるとプロパノールになる。プロパンは天然がスの成分の1つであるが、他の天然がス成分とは違って空気よりも重い。空気の比重と比較すると1.5倍重く、プロパンが漏洩すると床面に滞留することとなる。液体プロパンは大気圧では瞬時に気化する。気化の際に雰囲気から熱を奪うために、水蒸気が凝縮して白い霧が生じる。
(propane)
Propane is one of the chain saturated hydrocarbons represented by the chemical formula C 3 H 8 . It has a molecular weight of 44, is colorless and heatable, and becomes propanol when oxidized at room temperature with a gas. Propane is one of the components of nature, but unlike other ingredients, propane is heavier than air. It is 1.5 times heavier than the specific gravity of air, and if propane leaks, it will stay on the floor. Liquid propane vaporizes instantaneously at atmospheric pressure. In order to remove heat from the atmosphere during vaporization, the water vapor condenses and produces a white mist.

超音波洗浄のみを行ったAl2O3基板を計2つ用意した。それぞれを実験装置内に導入し、異なる原料ガスを流した。石英管内がそれぞれの原料ガスで充満したと判断した後、スライドトランスを用いてカンタル線に電流を流し、熱を発生させた。カンタル線の温度を1000℃まで上げ両試料とも60分間加熱した。加熱後Ar-C3H8
ガスを止め、温度を徐々に下げる間異なる流量でH2ガスを流した。なお、温度はクロメル・アルメル熱電対、流量は流量計を用いて測定した。上記で述べた2つの試料(試料1、2)の条件の異なる部分を以下に示す。
試料1 : 原料ガス・・・Ar-C3H8混合ガス100ml/min
60分間加熱後・・・H2ガス100ml/min
試料2 : 原料ガス・・・Ar-C3H8混合ガス100ml/min+H2ガス35ml/min
60分間加熱後・・・H2ガス35ml/min
実験後、基板を装置内から取り出し、ラマン分光器を用いてラマンスペクトルを測定した。なお、ラマン分光法による測定の条件は実験2と同じである。また、FE-SEMで膜の観察を行った。
Two Al 2 O 3 substrates subjected to only ultrasonic cleaning were prepared. Each was introduced into the experimental apparatus and different source gases were allowed to flow. After judging that the inside of the quartz tube was filled with each source gas, a current was passed through the Kanthal wire using a slide transformer to generate heat. The temperature of the Kanthal wire was raised to 1000 ° C. and both samples were heated for 60 minutes. Ar-C 3 H 8 after heating
The gas was turned off, and H 2 gas was flowed at different flow rates while gradually lowering the temperature. The temperature was measured using a chromel-alumel thermocouple, and the flow rate was measured using a flow meter. The different parts of the conditions of the two samples (samples 1 and 2) described above are shown below.
Sample 1: Raw material gas: Ar-C 3 H 8 mixed gas 100ml / min
After heating for 60 minutes ... H 2 gas 100ml / min
Sample 2: Raw material gas: Ar-C 3 H 8 mixed gas 100 ml / min + H 2 gas 35 ml / min
After heating for 60 minutes ... H 2 gas 35ml / min
After the experiment, the substrate was taken out from the apparatus, and a Raman spectrum was measured using a Raman spectrometer. The measurement conditions by Raman spectroscopy are the same as in Experiment 2. The film was observed with FE-SEM.

(結果)
試料1、2の両Al2O3基板両面に黒っぽい膜が作製された。両面ともAl2O3基板の表面に依存し、研磨された平滑な面には鏡面の膜が、裏側の研磨されていない面にはざらざらな膜が出来ていた。ただし、試料1はピンセットで触っただけで壊れそうな脆い膜であるのに対し、試料2の膜はピンセットで強く引っかいても壊れず、Al2O3基板との密着性もこれまでの実験1、実験2で作製された膜、試料1の膜とは明らかに異なると思われる。これは、加熱始めから炭素堆積の原料である炭化水素ガスに水素ガスを混合することで、結合力が弱く化学的に不安定な炭素粒子が水素分子と再結合し、基板上に堆積しなかったため、基板全体が適度な炭素粒子の量で堆積が終了し、密着性低下の原因と思われる残留応力が小さくなったことが考えられる。
(result)
Blackish films were formed on both the Al 2 O 3 substrates of Samples 1 and 2 . Both sides depended on the surface of the Al 2 O 3 substrate, and a mirror film was formed on the polished smooth surface, and a rough film was formed on the non-polished surface on the back side. However, sample 1 is a brittle film that seems to break just by touching it with tweezers, whereas sample 2 film does not break even if it is strongly scratched by tweezers, and the adhesion to the Al 2 O 3 substrate has been tested so far. 1 and the film produced in Experiment 2 and the film of Sample 1 seem to be clearly different. This is because by mixing hydrogen gas with hydrocarbon gas, which is the raw material for carbon deposition, from the beginning of heating, chemically unstable carbon particles with weak bonding force recombine with hydrogen molecules and do not deposit on the substrate. Therefore, it is considered that the deposition of the entire substrate is completed with an appropriate amount of carbon particles, and the residual stress that seems to be the cause of the decrease in adhesion is reduced.

ラマン分光法で測定した結果を図17、図18にそれぞれ示す。 図17より平滑な面のスペクトルの1350cm-1と1609cm-1にピーク、ざらざらな面のスペクトルの1350cm-1と1605cm-1にピークがみられる。また、図18より平滑な面のスペクトルの1350cm-1と1612cm-1にピーク、ざらざらな面のスペクトルの1350cm-1と1614cm-1にピークがみられる。(図19、図20 DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比(I(D)/I(G)を示す。)
それぞれのピークは文献値(Dバンドピーク:1350cm-1) よりDバンドと、若干高波数側にシフトしているが測定値(Gバンドピーク:1598cm-1)よりGバンドを表していると考えられ、両ピークを持つDLCの特徴を示していることから、両試料とも作製した膜はDLCであると判断できる。
The results measured by Raman spectroscopy are shown in FIGS. 17 and 18, respectively. Peak 1350 cm -1 and 1609cm -1 of the spectrum of the smooth surface from FIG. 17, the peak is observed in 1350 cm -1 and 1605 cm -1 in the spectrum of the rough surface. The peak, a peak at 1350 cm -1 and 1614cm -1 of the spectrum of the rough surface can be seen in 1350 cm -1 and 1612 cm -1 in the spectrum of the smooth surface from FIG 18. (FIG. 19, FIG. 20 Raman peak value of D band and G band and intensity ratio (I (D) / I (G) are shown.)
Each peak is considered to represent the G band from the measured value (G band peak: 1598 cm -1 ) although it is slightly shifted to the D band from the literature value (D band peak: 1350 cm -1 ). Since the characteristics of DLC having both peaks are shown, it can be determined that the films prepared for both samples are DLC.

このGバンドピークが高波数側にシフトしている原因として、前述した膜の硬度が考えられる。ラマンスペクトルは分子の振動状態に起因するものであり、その分子の振動エネルギーは分子間の結合力に依存する。それゆえGバンドのピークが高波数側にシフトしたことは、結晶間の結合力が強い、つまり膜の硬度が上がったことを意味している。ここで、図17と図18に示したスペクトルを比較すると、試料1よりも試料2のスペクトル方がGピークシフト量と、強度比(I(D)/I(G))が大きく、Dバンドの形もシャープであることが分かる。これは本節初めに述べたように、水素ガスを加熱後の処理としてだけでなく、加熱始めから原料がスに混合することにより、水素と再結合しなかった結合力の強い炭素粒子が多く基板上に堆積することで高硬度になり、ラマン測定時にはこれら粒子が一様に分子振動をしたために欠陥の集まりであるDバンドでもピークがシャープになったと考えられる。 The cause of the shift of the G band peak to the high wavenumber side is considered to be the hardness of the film described above. The Raman spectrum is caused by the vibrational state of the molecule, and the vibrational energy of the molecule depends on the bonding force between the molecules. Therefore, the shift of the peak of the G band to the high wavenumber side means that the bonding force between crystals is strong, that is, the hardness of the film is increased. Here, when the spectra shown in FIGS. 17 and 18 are compared, the spectrum of sample 2 has a larger G peak shift amount and intensity ratio (I (D) / I (G)) than sample 1, and the D band. It can be seen that the shape of is also sharp. As described at the beginning of this section, this is not only a treatment after heating the hydrogen gas, but also because the raw material is mixed with the soot from the beginning of the heating, so that there are many carbon particles with strong bonding strength that did not recombine with hydrogen. It is considered that the hardness is increased by depositing on the top, and the peaks are sharp even in the D band, which is a collection of defects, due to the uniform molecular vibration of these particles during Raman measurement.

次にFE-SEMによる結果を図21〜図28に示す。まず、試料1(平滑な面)についての結果、図21〜図28をみていく。図21はDLC膜を1000倍でみた画像である。目立って存在する粒子はあるものの全体的には平滑であるように思える。図22は図23でみられる所々に存在する粒子のひとつに焦点を当て10倍に拡大したものである。縮尺より直径2.5μmの大きさの球形粒子の集合体であることが分かる。また、図23は図21から場所を移動し、拡大した画像である。図23をさらに5倍に拡大した図24の縮尺より、これが直径500nmの球形の粒子が集合体であることが分かる。また、その粒子に付着するように大きさ50〜100nmのややごつごつした粒子が所々に存在していることが分かる。つまり、試料1のDLC膜では平滑な部分も多いが、様々な大きさの粒子が混在しているため、均一性にかけると考える。つづいて試料2(平滑な面)についての結果、図25〜図28をみていく。図25は図21と同じ倍率でみた画像だが、比較すると試料1よりも観察される粒子の数が少ないといえる。次に図26は図25の中心部を10倍に拡大した画像である。拡大したことで、膜全体に均一、そしてかなり緻密な状態で存在する細かな粒子の存在に気付く。これらの細かい粒子は図27、図28の縮尺より直径50〜100nmのごつごつした粒子であり、これら粒子の存在、堆積の仕方がH2ガスを混合することによる膜の密着性向上に大きく関与していると考える。 Next, the results by FE-SEM are shown in FIGS. First, as a result of the sample 1 (smooth surface), FIGS. FIG. 21 is an image of the DLC film viewed at 1000 times. Although there are conspicuous particles, it seems to be smooth overall. FIG. 22 focuses on one of the particles present in FIG. 23 and is magnified 10 times. From the scale, it can be seen that it is an aggregate of spherical particles having a diameter of 2.5 μm. FIG. 23 is an enlarged image of the location moved from FIG. From the scale of FIG. 24, which is further magnified 5 times, FIG. 23 shows that spherical particles having a diameter of 500 nm are aggregates. Moreover, it turns out that the particle | grains which are somewhat rugged with a size of 50-100 nm exist so that it may adhere to the particle | grains. In other words, the DLC film of Sample 1 has many smooth portions, but it is considered that uniformity is applied because particles of various sizes are mixed. Next, as a result of the sample 2 (smooth surface), FIGS. FIG. 25 is an image viewed at the same magnification as FIG. 21, but in comparison, it can be said that the number of particles observed is smaller than that of sample 1. Next, FIG. 26 is an image obtained by enlarging the central portion of FIG. By enlarging, we notice the presence of fine particles that are uniform and fairly dense throughout the film. These fine particles are rugged particles having a diameter of 50 to 100 nm from the scales of FIGS. 27 and 28, and the presence and deposition of these particles are greatly involved in improving the adhesion of the film by mixing H 2 gas. I think.

ラマン分光法とFE-SEMによる結果を統合し、H2ガス混合による作製膜と基板の密着性の向上の原因について次のように考察する。おそらく原料ガスにH2ガスを混合することにより、化学的に不安定で結晶性の悪い粒子は水素原子と再結合、安定になり、排気ガスとして装置外に流れた。その結果、結晶性のよい粒子が中心となり基板上に均一、そして緻密な状態で堆積したことで基板への密着性が高くなった。 The results of Raman spectroscopy and FE-SEM are integrated, and the cause of improved adhesion between the fabricated film and the substrate by H 2 gas mixing is discussed as follows. Probably by mixing H 2 gas with the source gas, chemically unstable and poorly crystalline particles recombined with hydrogen atoms and became stable and flowed out of the apparatus as exhaust gas. As a result, the adhesion to the substrate was enhanced by the uniform and dense deposition on the substrate centered on particles with good crystallinity.

(結論)
以下に本実験の結論を述べる。
まず、Ar-CH4を原料とし本実験法でDLC膜を作製するには、触媒を用いても1200℃以上の温度が必要である。実験系の温度の限界上、加熱温度は1350℃が限度であるが、より高温での原料ガス分解を行うほどグラファイト以外の炭素粒子が膜中を占める割合が大きくなり、それらの炭素粒子が結晶成長するため膜の硬度が上がる。
また、作製されたDLC膜表面は元の基板表面に依存する。
更に、Al2O3基板を用いた場合、それ自体が触媒の機能を持つため新たに触媒を塗る必要がない。これにより基板の形を問わない、均一な膜作製が期待される。
また更に、Ar-C3H8を原料ガスとすると1000℃でもDLC膜を作製することができる。これにより、本実験系でのDLC低温作製が可能となり、温度による実験系の破損を招く心配がなくなる。また、融点が低い金属などの基板上にもDLC膜作製の期待ができる。
また、加熱始めから原料ガスに水素を導入することにより作製された膜と基板の密着性が高くなる。
(Conclusion)
The conclusion of this experiment is described below.
First, in order to produce a DLC film using Ar—CH 4 as a raw material by this experimental method, a temperature of 1200 ° C. or higher is required even if a catalyst is used. Due to the temperature limit of the experimental system, the heating temperature is limited to 1350 ° C. However, the higher the raw material gas decomposition, the greater the proportion of carbon particles other than graphite in the film. As the film grows, the film hardness increases.
Further, the surface of the produced DLC film depends on the original substrate surface.
Furthermore, when an Al 2 O 3 substrate is used, it does not need to be newly coated because it has a catalytic function. This makes it possible to produce a uniform film regardless of the shape of the substrate.
Furthermore, when Ar—C 3 H 8 is used as a source gas, a DLC film can be produced even at 1000 ° C. This makes it possible to fabricate the DLC at low temperature in this experimental system and eliminates the risk of causing damage to the experimental system due to temperature. In addition, the production of a DLC film can be expected on a metal substrate having a low melting point.
Further, the adhesion between the film produced by introducing hydrogen into the source gas from the beginning of heating and the substrate is enhanced.

本発明のDLC膜を形成させる成膜装置の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the film-forming apparatus which forms the DLC film of this invention. 本発明の実施形態において用いた成膜装置の模式図である。It is a schematic diagram of the film-forming apparatus used in embodiment of this invention. 1350℃で実験した時のXPSスペクトルの測定結果である(実験1)。It is a measurement result of an XPS spectrum when it experimented at 1350 degreeC (experiment 1). 純粋なグラファイトのXPSスペクトルの測定結果である(実験1)。It is a measurement result of XPS spectrum of pure graphite (Experiment 1). DLCのC1s電子XPSピーク値である(実験1)。It is the C1s electron XPS peak value of DLC (Experiment 1). 純粋なグラファイトのC1s電子XPSピーク値である(実験1)。This is the C1s electron XPS peak value of pure graphite (Experiment 1). 純粋なグラファイトのラマンスペクトルの測定結果である(実験2)It is a measurement result of Raman spectrum of pure graphite (Experiment 2) 純粋なダイヤモンドのラマンスペクトルの測定結果である(実験2)It is a measurement result of Raman spectrum of pure diamond (Experiment 2) 温度の違いによる膜を比較した結果である(平滑な面)(実験2)。It is the result of having compared the film | membrane by the difference in temperature (smooth surface) (Experiment 2). 温度の違いによる膜を比較した結果である(ざらざらな面)(実験2)。It is the result of having compared the film | membrane by the difference in temperature (Rough surface) (Experiment 2). 後処理の違いによる膜を比較した結果である(実験2)。It is the result of having compared the film | membrane by the difference in post-processing (experiment 2). 触媒無しで作製したDLC膜の構造を比較した結果である(実験2)。It is the result of having compared the structure of the DLC film produced without the catalyst (Experiment 2). DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(試料A平滑-試料B平滑)(実験2)Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (sample A smooth-sample B smooth) (Experiment 2) DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(試料Aざらざら-試料Bざらざら)(実験2)Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (Sample A Roughness-Sample B Roughness) (Experiment 2) DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(試料B-試料C)(実験2)It is the Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (Sample B-Sample C) (Experiment 2) DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(試料D平滑-試料Dざらざら)(実験2)Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (sample D smooth-sample D rough) (Experiment 2) 試料1のラマンスペクトルの測定結果である(実験3)。It is a measurement result of the Raman spectrum of Sample 1 (Experiment 3). 試料2のラマンスペクトルの測定結果である(実験3)。It is a measurement result of Raman spectrum of sample 2 (Experiment 3). DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(実験3)It is the Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (Experiment 3) DバンドとGバンドのラマンピーク値と強度比である(実験3)It is the Raman peak value and intensity ratio of D band and G band (Experiment 3) 試料1のFE-SEM画像(×1,000)である。2 is an FE-SEM image (× 1,000) of Sample 1. 試料1のFE-SEM画像(×10,000)である。2 is an FE-SEM image (× 10,000) of Sample 1. 試料1のFE-SEM画像(×10,000)である。2 is an FE-SEM image (× 10,000) of Sample 1. 試料1のFE-SEM画像(×50,000)である。2 is an FE-SEM image (× 50,000) of Sample 1. 試料2のFE-SEM画像(×1,000)である。2 is an FE-SEM image (× 1,000) of Sample 2. 試料2のFE-SEM画像(×10,000)である。2 is an FE-SEM image (× 10,000) of Sample 2. 試料2のFE-SEM画像(×50,000)である。2 is an FE-SEM image (× 50,000) of Sample 2. 試料2のFE-SEM画像(×100,000)である。2 is an FE-SEM image (× 100,000) of Sample 2.

符号の説明Explanation of symbols

1a 加熱装置
1b 加熱手段
1c 支持装置
2 ガス供給源
3 流量制御装置
4 電源
5 温度制御装置
6 基体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Heating apparatus 1b Heating means 1c Support apparatus 2 Gas supply source 3 Flow control apparatus 4 Power supply 5 Temperature control apparatus 6 Base | substrate

Claims (5)

サファイア単結晶を含む基体を、触媒なしで、常圧の炭化水素ガス含有雰囲気中で1000℃以上に加熱することにより、前記基体の表面上に、炭化水素ガスの熱分解によるダイヤモンドライクカーボン膜を形成する工程を有することを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。 By heating the substrate containing the sapphire single crystal to 1000 ° C. or higher in an atmosphere containing hydrocarbon gas at atmospheric pressure without a catalyst, a diamond-like carbon film formed by pyrolysis of hydrocarbon gas is formed on the surface of the substrate. A method for producing a diamond-like carbon film, comprising the step of forming. 前記加熱時間は60分以上であることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。   The method for producing a diamond-like carbon film according to claim 1, wherein the heating time is 60 minutes or more. 前記加熱時間経過後、前記炭化水素ガスの供給を停止し、後処理用のガスを供給しつつ温度を徐々に低下させる工程をさらに有することを特徴とする請求項1または2記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。   3. The diamond-like carbon according to claim 1, further comprising a step of, after the heating time elapses, stopping the supply of the hydrocarbon gas and gradually lowering the temperature while supplying a gas for post-treatment. A method for producing a membrane. 前記炭化水素ガスは、プロパンを含有するガスであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。   The method for producing a diamond-like carbon film according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrocarbon gas is a gas containing propane. 前記炭化水素ガスに水素ガスを混合することを特徴とする請求項4記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。   The method for producing a diamond-like carbon film according to claim 4, wherein hydrogen gas is mixed with the hydrocarbon gas.
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