JP6538389B2 - ダイヤモンド薄膜の製造方法、熱フィラメントｃｖｄ装置及びメカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、基材の表面にダイヤモンド薄膜などの薄膜を形成するための熱フィラメントＣＶＤ装置及びその装置を用いて薄膜を形成するための成膜方法、並びにダイヤモンド薄膜を用いたメカニカルシールに関する。

熱フィラメント化学蒸着法（以下、「熱フィラメントＣＶＤ法」という。）は、例えばダイヤモンド薄膜などの薄膜を基板などの基材の表面に形成するために用いられている。例えば、特許文献１には、ダイヤモンドの気相合成を行う熱フィラメントＣＶＤ法において、前処理として、高濃度の炭素源を導入して通電加熱し、タンタルフィラメントの両電極端にグラファイトを主体とするカーボンを鞘状に析出させて被覆形成するための炭化処理を施すようにした熱フィラメントＣＶＤ法であって、５体積％以上のメタン濃度を有するメタンと水素との混合ガスを炭素源として導入し、通電加熱によりフィラメントの温度を２０００℃以上で少なくとも１２時間保持することを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ法が開示されている。

また、特許文献２には、可動部材と静止部材とを有する軸受又はシール構造において、部材同士の対向面が、多結晶ダイヤモンドが被覆されていることを特徴とするダイヤモンド被覆軸受又はシール構造が開示されている。特許文献３には、熱フィラメントＣＶＤ法を用いて基板の外側に複数本のフィラメントを等間隔で張り、対象の基材表面にダイヤモンドを析出することが記載されている。

特許文献３には、反応室と、原料供給系と、質量分析器とを有するＣＶＤ装置であって、前記反応室は、内部に導入した原料を用いて基板にＣＶＤ成膜を起こさせるものであり、前記原料供給系は、ＣＶＤ反応を起こさせる原料を反応室に供給するものであり、前記原料は、室温で固体又は液体であり、質量分析器は、前記反応室の原料成分を分析し、分析結果に基づいて原料供給系に前記反応室へ供給する原料供給量を制御する指令を出力するものであることを特徴とするＣＶＤ装置が記載されている。

特開２００４−９１８３６号公報 特開２００６−２７５２８６号公報 特許第３０７７５９１号公報

熱フィラメントＣＶＤ法は、原料ガスの熱分解による生成物や化学反応によって、基材の表面に薄膜を形成する化学気相成長（ＣＶＤ）の一種であり、熱フィラメントから放出された熱電子により原料ガスの分解生成物や化学反応させることに特徴がある。熱フィラメントＣＶＤ法は、通常、少なくとも２０００℃以上に加熱された一本以上のフィラメントによって導入した原料ガスを励起し、基材の表面に薄膜を形成する方法である。熱フィラメントＣＶＤ法を用いて、例えばダイヤモンド薄膜を成膜する技術が開発されてきている。

熱フィラメントＣＶＤ法により、ダイヤモンド薄膜を成膜する場合、原料ガスとして、炭素を含むガス（例えばメタンガス）を用いるが、それに加え、水素ガスをキャリアガスとして用いることが一般的である。ダイヤモンド薄膜の成膜に水素ガス（キャリアガス）を用いる場合、フィラメントからの熱により活性化された水素は、非ダイヤモンド炭素に対して強いエッチング作用を示し、一方、ダイヤモンドに対してはほとんどエッチング作用を示さない。水素ガスを用いる熱フィラメントＣＶＤ法は、この選択的エッチング作用をうまく利用して、基材上における非ダイヤモンド成分の成長を抑え、ダイヤモンドのみを析出させることにより、ダイヤモンド薄膜を成膜することができる。このように、ダイヤモンド薄膜の際には、水素ガスが重要な役割を果たしている。水素ガス（キャリアガス）と、炭素を含む原料ガスとを含む混合ガスを成膜用ガスとしてダイヤモンド薄膜を成膜する場合、成膜用ガス中の原料ガスの流量割合は、３〜４％程度である。

近年、大型の熱フィラメントＣＶＤ装置による大面積のダイヤモンド薄膜の成膜技術の開発が進められている。しかしながら、成膜面積の大面積化に伴い、成膜用ガスの使用量の増加によるコストや成膜に要する時間も増大する。また、爆発性の高い水素ガスを大量に使用することは危険性を伴う。したがって、ダイヤモンド薄膜の成膜面積の大面積化にあたっては、安全性に懸念が生じる。ダイヤモンド薄膜の製造コストを下げるためには、成膜用ガスの使用量を削減することも必要である。

そこで、本発明は、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜するための、ダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。具体的には、本発明は、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜するための、ダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。さらに具体的には、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全なダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。

また、本発明は、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。具体的には、本発明は、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。さらに具体的には、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。

本発明者らは、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の成膜について鋭意研究したところ、所定の成膜条件を満たす場合は、爆発性の高い水素ガスの使用量を、減少させたとしても、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができることを見出し、本発明に至った。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。本発明は、構成１〜７であるダイヤモンド薄膜の製造方法、構成８であるメカニカルシール、及び構成９〜１３である熱フィラメントＣＶＤ装置である。

（構成１）
本発明の構成１は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法であって、
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、前記基材台に前記基材を配置する工程と、前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程とを含み、
前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％（例えば、水素１００ｍｌ／分に対するメタン流量２３ｍｌ／分）の範囲内となるように設定される、ダイヤモンド薄膜の製造方法である。

なお、本明細書において、気体の流量を「ｍｌ（ミリリットル）／分」の単位で表すことがあるが、この場合、気体の体積は、標準状態（常温、常圧）での気体の体積を示す。常温とは２５℃、常圧とは１気圧である。

本発明の構成１によれば、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を５〜２３％の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成１のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明の構成１のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。

（構成２）
本発明の構成２は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法であって、
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、前記基材台に前記基材を配置する工程と、前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程とを含み、
前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）である、ダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成２によれば、フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）であるようにしてダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成２のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。

（構成３）
本発明の構成３は、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜可能な面積である処理面積１ｃｍ^２当たり、０．０５〜２ｍｌ／分の範囲内とする、構成１又は２に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成３によれば、合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜可能な面積である処理面積１ｃｍ^２当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。

（構成４）
本発明の構成４は、
前記成膜室の前記処理面積が１００ｃｍ^２以上の値であり、前記合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ^２当たり、毎分０．１４〜２．０ｍｌの範囲内であるように、前記ガス供給手段が前記原料ガス及び前記キャリアガスの流量を制御する、構成１から３のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成４によれば、ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、処理面積１ｃｍ^２当たりの原料ガス及びキャリアガスの合計ガス流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に製造することができる。

（構成５）
本発明の構成５は、前記原料ガスが、炭化水素ガスであり、前記キャリアガスが、水素ガスである、構成１から４のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成５によれば、キャリアガスとして爆発性の高い水素ガスを用いる場合であっても、水素ガスの流量を低減することができるので、より安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。

（構成６）
本発明の構成６は、前記基材と前記フィラメントとの距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定する、構成１から５のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成６によれば、基材とフィラメントとの距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。

（構成７）
本発明の構成７は、前記基材台が、前記基材台に配置された前記基材を冷却するための冷却手段を含む、構成１から６のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。

本発明の構成７によれば、基材台に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント温度による基材の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材の温度を得ることができる。

（構成８）
本発明の構成８は、構成１〜７のダイヤモンド薄膜の製造方法によって製造されたダイヤモンド薄膜により、表面の少なくとも一部が被覆されるメカニカルシールである。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができるので、メカニカルシールの表面の少なくとも一部を、ダイヤモンド薄膜により、低コストで被覆することができる。

（構成９）
本発明の構成９は、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、を含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％の範囲内となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置である。

本発明の構成９によれば、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を５〜２３％の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことのできる熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成９の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明により、キャリアガスの使用量を削減することによって、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる、熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。

（構成１０）
本発明の構成１０は、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの合計流量が、１分当たりの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置である。

本発明の構成１０によれば、フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことのできる熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成１０の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。

（構成１１）
本発明の構成１１は、前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、ダイヤモンド薄膜の製造用の熱フィラメントＣＶＤ装置である、構成９又は１０に記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。本発明の構成１１の熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜の成膜を低コストで行うことができる。

（構成１２）
本発明の構成１２は、前記基材と前記フィラメントとの距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定する、構成９から１１のいずれかに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。

本発明の構成１２の熱フィラメントＣＶＤ装置によれば、基材とフィラメントとの距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。

（構成１３）
本発明の構成１３は、前記基材台が、前記基材台に配置された前記基材を冷却するための冷却手段を含む、構成９から１２のいずれかに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。

本発明の構成１３の熱フィラメントＣＶＤ装置によれば、基材台に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント温度による基材の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材の温度を得ることができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜及びダイヤモンド薄膜を施したメカニカルシールを低コストで製造することができる。具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。

本発明により、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。具体的には、本発明により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。さらに具体的には、本発明により、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の装置構成の一例を示す模式図である。 本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の、成膜用ガス供給装置の一例を示す模式図である。 本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置に用いることのできるフィラメントの配置の一例であって、１５本のフィラメント、一対のフィラメント固定部及びフィラメント固定部用駆動装置の配置の一例を示す模式図である。 本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置に用いることのできるフィラメントの配置の一例であって、１５本のフィラメント、三対のフィラメント固定部及びフィラメント固定部用駆動装置の配置の一例を示す模式図である。 実験１のダイヤモンド薄膜の成膜において、原料ガス流量割合と、成膜速度との関係を示す図である。 実験２のダイヤモンド薄膜の成膜において、フィラメント／基材間の距離と、成膜速度との関係を示す図である。 実験３のダイヤモンド薄膜の成膜において、成膜用ガス圧力と、成膜速度との関係を示す図である。 実験１で成膜した薄膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

本発明は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法及びその装置である。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給する際の、原料ガス及びキャリアガスの流量を所定の範囲とすることに特徴がある。また、本発明のダイヤモンド薄膜の製造装置は、原料ガス及びキャリアガスの流量を所定の範囲とすることができることに特徴がある。

本発明の製造方法及び装置は、ダイヤモンド薄膜の製造及び当該ダイヤモンド薄膜を成膜したメカニカルシールの製造のために好適に用いることができる。また、本発明の製造方法及び装置は、ダイヤモンド薄膜以外の薄膜の製造のためにも用いることができる。

まず、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置について説明する。

図１に、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の装置構成の模式図を示す。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１と、基材台３と、フィラメント２と、ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）とを含む。

図１に示すように、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１を含む。成膜室１は、真空気密を保つために金属などの剛性材料、例えばステンレス鋼からなる側壁等により包囲されて真空容器を形成する。成膜室１の外部と内部とを連通するためのポート等は、成膜室１の真空気密を保つために公知の方法によりシールされている。成膜室１の内部には基材台３が設けられ、基材台３に配置された基材４の表面に薄膜を形成することができる。

本明細書において「基材４」とは、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置によってその表面に薄膜を形成する物体のことをいう。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、基材４の少なくとも一部の表面に薄膜を形成することができる。基材４の形状は、具体的には、平板状の基板であることができる。しかしながら、基材４の形状は、平板状の基板に限られず、例えば、厚みを有する直方体、円筒状の外形を有する基材４の外表面等、後述するフィラメント２の配置を工夫することによって、任意の形状の基材４の表面への成膜を行うことができる。熱フィラメントＣＶＤ法では、一般的に、成膜中の基材４の温度が８００〜１０００℃となることが多いため、基材４の材料としては、シリコン、炭化ケイ素、アルミナなどの耐熱性の材料、モリブデン、ケイ素、タンタル、チタン、ニオブ及びそれらを組み合わせた炭化物材料並びにモリブデン及び白金等の高融点金属材料を好ましく用いることができる。また、他の耐熱性材料に上記炭化物系材料を被覆して基材４とすることもできる。

基材台３とは、成膜室１内に配置され、基材４をその上に配置するための台である。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置によって基材４の表面に薄膜を形成する際には、基材４は基材台３に載置される。良好な膜質の薄膜を成膜するためには、基材４の温度が成膜条件として重要である場合が多い。そのため、基材台３は、必要に応じて加熱及び／又は冷却可能な構造であることが好ましい。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、基材台３が、基材台３に配置された基材４を冷却するための冷却手段を含むことが好ましい。冷却手段として、水等の冷媒を基材台３内部に循環させるための冷却管を、基材台３の内部に配置することができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の基材台３に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント２の温度による基材４の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材４の温度を得ることができる。

熱フィラメントＣＶＤ法は、熱分解による生成物や化学反応によって、薄膜を形成する方法である。熱フィラメントＣＶＤ法は化学気相成長法（ＣＶＤ）の一種であり、フィラメント２からの熱エネルギーによって原料ガスの分解生成物や化学反応を利用する成膜法である。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２で発生した熱エネルギーによる所定の原料ガスの分解生成物や化学反応を利用することによって形成することが可能な薄膜の成膜に、薄膜の種類を問わず用いることができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、具体的には、炭素系薄膜、特にダイヤモンド薄膜（多結晶ダイヤモンド薄膜）の成膜のために好適に用いることができる。ダイヤモンド薄膜の成膜のための成膜用ガスとして、炭化水素、アルコール及び／又はアセトン等の炭素化合物ガス（原料ガス）と、水素ガス（キャリアガス）とを混合した混合ガス（成膜用ガス）が利用されている。この成膜用ガスを用いたダイヤモンド薄膜の成膜方法として、加熱したフィラメント２を用いる熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波等を励起エネルギーとして用いる方法、火炎法及び紫外線放射併用法などがあるが、とりわけ熱フィラメントＣＶＤ法を好適に用いることができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜の成膜を低コストで行うことができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２を用いて成膜用ガスを加熱し、所定の薄膜を成膜する。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、成膜室１内に配置されたフィラメント２に電流を通電することにより、フィラメント２を加熱することが可能である。フィラメント２の材料としては、タングステン、タンタル及びモリブデンなどの高融点金属を挙げることができる。取り扱い性の点などから、フィラメント２の材料としては、タンタル又はタングステンを用いることが好ましい。特に、良質な膜質の薄膜を高速に成膜することができることから、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、タンタルを材料とするフィラメント２を用いることが好ましい。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置で用いるフィラメント２の直径は、０．０５〜１ｍｍであり、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍ、より好ましくは０．１０〜０．２ｍｍである。フィラメント２の長さ及び本数は、成膜する基材４の表面（成膜表面）の大きさに応じて適宜選択することができる。好ましくは、フィラメント２が、少なくとも成膜表面の全体を所定の間隔で覆うように、複数本のフィラメント２を平行に、等間隔に配置することが好ましい。より均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２の間隔は、２〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜１８ｍｍであることがより好ましい。特に、フィラメント２の間隔が４〜１５ｍｍである場合には、優れた膜厚の均一性を得ることができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、基材４とフィラメント２との距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することが好ましく、２〜５ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することがより好ましい。基材４とフィラメント２との距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度、例えば１μｍ／時間を超える成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。

また、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置においては、基材台３が、フィラメント２の位置に対して相対的に移動可能なように構成されることが好ましい。通常、熱フィラメントＣＶＤ装置による成膜の際には、成膜用ガスの導入後、フィラメント２の温度を所定の温度まで上昇させた後に成膜を開始する。基材台３がフィラメント２の位置に対して相対的に移動可能であることにより、フィラメント２の温度が所定の温度まで上昇した後に、基材台３を移動して、フィラメント２／基材４間の距離を、所定の成膜速度が得られる程度に小さくする。この結果、基材４の表面に、所定の温度に達したフィラメント２によって成膜を開始することができる。

フィラメント２の位置に対する基材台３の相対的な移動は、基材台３が移動機構を有することにより、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するように構成することができる。また、相対的な移動は、固定された基材台３に対してフィラメント２が移動するように構成することができる。また、相対的な移動は、基材台３及びフィラメント２の両方が移動するように構成することにより、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するように構成することができる。一般的にフィラメント２は細くて破壊しやすいため、相対的な移動の際には、フィラメント２を移動させず、基材台３を移動させることが好ましい。したがって、基材台３が移動機構を有し、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するような構成とすることが好ましい。基材台３の移動は、垂直方向及び／又は水平方向に移動するように構成することができる。装置構造を簡単にする点から、基材台３の移動は、垂直方向に移動するように構成することが好ましい。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、少なくとも一本のフィラメント２を固定するための、少なくとも一対のフィラメント固定部４０を含むことができる。

図１に側面模式図を示すように、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂは、少なくとも一本のフィラメント２を二箇所で固定する。図３に、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂにより１５本のフィラメント２を固定した例の上面模式図を示す。フィラメント２の固定は、例えば、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟み、ボルトなどにより締めこむことにより行うことができる。また、一対のフィラメント固定部４０の材料を導電性材料とすることにより、フィラメント固定部４０ａ及び４０ｂがフィラメント２への電力供給のための電極を兼ねることができる。なお、フィラメント２の固定は、必ずしもフィラメント２の両端部で行う必要はなく、例えば中央付近の２点を固定することもできる。しかしながら、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂが電極を兼ねることを考慮すると、基材４の表面での成膜面積を大きくすることができる点から、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂによるフィラメント２の固定は、フィラメント２の両端部で行うことが好ましい。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、複数対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂを有し、各々のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対が、一本以上のフィラメント２を固定するように構成することもできる。例えば、基材４の表面の中央付近と、両端付近でフィラメント２の温度を調整して成膜する必要がある場合などには、図４に示すように、基材４の表面の中央付近のフィラメント２を固定するためのフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対と、基材４の表面の両端付近のフィラメント２を固定するための二対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂとを設け、各々のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対に独立に電力を印加することにより、フィラメント２の温度を調整しながら成膜することができる。図４に示す例では、両端の二対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに各々３本のフィラメント２を固定し、中央のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに９本のフィラメント２を固定した構成を示している。図４に示す例では、それぞれのフィラメント固定４０ｂには、それぞれに固定されたフィラメント２の温度変化に応じてそれぞれ独立して移動可能なように、フィラメント固定部移動機構がそれぞれ設置されている。なお、フィラメント固定部４０の対の数に応じて、複数のフィラメント２の弛みを測定できるように、複数の電磁波測定機構３２を配置することができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、少なくとも一対のフィラメント固定部４０の間の距離を変えるためのフィラメント固定部移動機構を含むことができる。

従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、フィラメント２の両端をフィラメント固定部４０によって一定の距離に固定する方法を採用することができる。しかしながら、この方法では、フィラメント２は熱膨張に伴った伸びが発生するので、フィラメント２中央付近のフィラメント２／基材４間の距離と、フィラメント２両端付近のフィラメント２／基材４間の距離とは異なる距離になってしまう。また、熱フィラメントＣＶＤ法による薄膜の形成速度（成膜速度）は、フィラメント２／基材４間の距離に依存する。さらに、成膜が終了した後に、フィラメント２の温度を下げるときには、フィラメント２が収縮する。熱フィラメントＣＶＤ装置が、フィラメント固定部移動機構を備えることにより、フィラメント固定部４０の間の距離を変えることができる。そのためフィラメント２の温度変化に伴う伸び又は収縮を補償することができる。一対のフィラメント固定部４０の間の距離を変えるために、フィラメント固定部４０の一つ又は両方にフィラメント固定部移動機構を備えることができる。コストの点から、一対のフィラメント固定部４０のうち、片方のフィラメント固定部４０にフィラメント固定部移動機構を備えることが好ましい。

図１に示す例では、フィラメント固定部用連結シャフト４１及びフィラメント固定部用駆動装置４２を含むフィラメント固定部移動機構を示している。フィラメント固定部用連結シャフト４１は、一方のフィラメント固定部４０ｂに取り付けられる。また、フィラメント固定部用連結シャフト４１は、成膜室１の側壁の真空シール部１８を貫通して、外部のフィラメント固定部用駆動装置４２へと連結されている。フィラメント固定部用駆動装置４２としては、手動式のマイクロメータ又は電動式のアクチュエータなどを用いることができる。フィラメント固定部移動機構のフィラメント固定部用駆動装置４２を動作させることにより、フィラメント固定部４０ｂを水平方向に移動させて、フィラメント２の温度変化に伴う伸び又は収縮を補償することができる。なお、図１に示す例では、フィラメント固定部４０ｂがフィラメント２用の電極を兼ねているため、フィラメント固定部用連結シャフト４１に電気絶縁部１６が配置されている。なお、フィラメント固定部用駆動装置４２として、外部からの信号により駆動可能な電動式のアクチュエータなどを用いる場合には、フィラメント固定部用駆動装置４２を成膜室１の内部に配置することも可能である。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置には、少なくとも一本のフィラメント２の伸縮状態の変化を検出するためのフィラメント２の伸縮状態検出手段を含むことが好ましい。フィラメント２の伸縮状態検出手段は、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の略中央の検出領域３０においてフィラメント２からの少なくとも一つの波長の電磁波の強度を測定するための電磁波測定機構３２を含む。また、伸縮状態検出手段は、電磁波測定機構３２によって測定された電磁波の強度変化又は電磁波の波長、強度若しくはそれらの組み合せの測定結果に基づいてフィラメント２の伸縮状態の変化を検出する。

なお、検出領域３０（検出領域３０ａ）からの電磁波の測定は、電磁波測定機構３２ａにより、フィラメント２に対して垂直に、水平方向に行うことができるがこれに限られない。電磁波測定機構３２ｂによる検出領域３０ｂの測定は、複数のフィラメント２が配置されている平面に対して斜め方向から行うこともできる。斜め方向からの測定により、最も外側のフィラメント２ａ以外のフィラメント２ｂの測定も可能となる。この測定方法は、図４に示すように、複数の対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂを有することにより、複数のフィラメント固定部移動機構を独立して移動可能な構成とする場合に好ましく用いることができる。

検出領域３０は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の略中央に位置していることが好ましい。フィラメント２の温度変化による変形の大きさは、フィラメント２の中央付近が一番大きいため、フィラメント２の変形をより高い精度で測定することができるためである。略中央とは、具体的には、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離Ｌとして、中央（端からＬ／２の位置）を中心に長さＬ／２の範囲の任意の位置のことであり、好ましくは、Ｌ／５の範囲の任意の位置のことであり、より好ましくは、Ｌ／１０の範囲の任意の位置のことである。また、検出領域３０は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の中央（端からＬ／２の位置）を含む領域であることが好ましい。また、検出領域３０の上下方向の位置は、フィラメント２が一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに直線状に懸架されたときのフィラメント２が電磁波測定機構３２による測定の視野に含まれる領域である。

検出領域３０の形状は、円形、矩形等の任意の形状から適宜選択することができる。基本的には、電磁波測定機構３２による測定の視野を検出領域３０とすることができる。

検出領域３０の大きさは、少なくともフィラメント２の一部が入る大きさであれば良い。電磁波測定機構３２の視野に依存する。具体的には、検出領域３０は、直径０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍ、より好ましくは０．３〜１ｍｍの円形、又は一辺の長さが、０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍ、より好ましくは０．３〜１ｍｍの矩形であることができる。また、検出領域３０は、直径又は一辺の長さが、フィラメント２の直径の１〜１０倍、好ましくは２〜８倍の円形又は矩形であることが好ましい。なお、検出領域３０の形状は、円形及び矩形に限られず、任意の形状であることができる。また、測定は大きな視野に対して行って、その一部を検出領域３０として定めて、フィラメント２の弛みを判断するための領域とすることができる。また、例えば、ピンホールのような光学的な絞り（微小な開口部）によって、検出領域３０の大きさを制限し、好ましい大きさの検出領域３０を得ることができる。

電磁波測定機構３２としては、放射電磁波を測定し温度情報に変換する放射温度計又は反射電磁波を測定するための撮像装置を用いることができる。

電磁波測定機構３２は、成膜室１の外部又は内部に配置することができる。電磁波測定機構３２が、成膜室１の内部に配置される場合には、電磁波測定機構３２へ成膜中の薄膜が堆積し、及び電磁波測定機構３２からの汚染粒子が成膜室１へ放出される恐れがあるという問題がある。この問題を避けるため、放射電磁波は、放射電磁波に対して実質的に透明な監視窓１０を介して、成膜室１の外部の電磁波測定機構３２によって測定することが好ましい。

電磁波測定機構３２として用いることのできる放射温度計は、フィラメント２の温度上昇に伴うフィラメント２からの黒体輻射による放出電磁波の所定の波長の強度を測定し、温度に換算する。したがって、検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かは、放射温度計の温度変化から認識することができる。また、外部光をフィラメント２に照射し、フィラメント２からの反射光（反射電磁波）を測定するための撮像装置を用いることができる。また、撮像装置により、フィラメント２の形状を撮像し、フィラメント２が弛んだ状態であるかどうかを判断することもできる。撮像装置を用いる場合には、検出領域３０全体にわたって、フィラメント２からの電磁波の波長、強度又はそれらの組み合せを測定することができる。その結果、検出領域３０全体の光学的画像イメージを得ることができる。

少なくとも一つの波長の電磁波とは、電磁波測定機構３２において測定可能な波長のうちの少なくとも一つのことである。例えば、放射温度計の場合、黒体輻射の電磁波のうち、所定の波長の電磁波の強度を測定することにより、測定対象物の温度に換算することができる。また、光学的測定法により電磁波測定を行う場合には、照射電磁波の波長の反射電磁波を測定することができる。

また、電磁波測定機構３２による測定は、大きな視野、例えば直径５〜５０ｍｍ程度の視野に対して光学的イメージの測定を行い、その一部を検出領域３０として定めて、放射温度計によって検出領域３０の温度を測定し、フィラメント２の弛みを判断するための領域とすることができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置に用いる電磁波測定機構３２の電磁波としては、可視又は赤外領域の波長の光に相当する電磁波を用いることが好ましい。

検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かは、電磁波測定機構３２によって測定される電磁波の強度変化によって判断することができる。例えば放射温度計を用いる場合、検出領域３０に存在するフィラメント２を加熱することにより、放射温度計の測定値が高温を示す。フィラメント２が高温になり弛みが生じると、フィラメント２が検出領域３０から外れてしまい、放射温度計の測定値が急激に低下する。この結果、フィラメント２が弛んでいる状態であると認識することができる。このようにして、測定された電磁波の強度変化に基づいてフィラメント２の伸縮状態の変化を検出することができる。

また、図１に示すように、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、電磁波の強度変化に基づいて、フィラメント２の伸縮状態の変化を補償するようにフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えるように構成される自動距離可変機構３５をさらに含むことが好ましい。自動距離可変機構３５としては、コンピューターなどの情報処理装置を用いることができる。電磁波測定機構３２によって測定される電磁波の強度変化の情報は、信号線３６によって、自動距離可変機構３５に入力される。自動距離可変機構３５は、電磁波測定機構３２からの信号に基づき、自動的に検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かを判定する。自動距離可変機構３５が、検出領域３０にフィラメント２が存在しないと判定した場合には、フィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、フィラメント固定部移動機構のフィラメント固定部用駆動装置４２を自動的に駆動するよう構成することができる。すなわち、自動距離可変機構３５が、検出領域３０にフィラメント２が存在しないと判定した場合には、自動距離可変機構３５は、フィラメント固定部用駆動装置４２に対して、フィラメント２の弛みを伸ばす方向にフィラメント固定部４０ｂを移動するように、信号線３７を介して信号を送る。なお、信号の送受信には無線を用いることもできる。このようにして、自動距離可変機構３５からの所定の信号により、フィラメント固定部用駆動装置４２を駆動することができる。さらに、自動距離可変機構３５は、再度、検出領域３０にフィラメント２が存在するようになったかを判定し、検出領域３０にフィラメント２が存在するようになった場合には、フィラメント固定部用駆動装置４２を自動的に停止するよう構成することができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置が、自動距離可変機構３５を含むことにより、人為的な操作を介する必要なく、フィラメント２の伸縮状態の変化の補償を速やかにかつ確実に行うことができる。自動距離可変機構３５は、成膜室１の内部に配置することが可能である。その場合、成膜室１の内部の汚染防止及びフィラメント固定部移動機構への薄膜材料の堆積による故障を防止する点から、自動距離可変機構３５の内部の駆動部等は、成膜室１の雰囲気に対して気密な構造であることが好ましい。

フィラメント固定部用駆動装置４２としてマイクロメータを用いる場合、例えば、マイクロメータを、ステッピングモータ等の外部からの所定の信号により駆動する装置に接続することができる。自動距離可変機構３５からの信号線３７を介した所定の信号によってステッピングモータを駆動させることにより、マイクロメータを回転させ、自動的にフィラメント２の伸縮状態の変化を補償することができる。また、フィラメント固定部用駆動装置４２としては、アクチュエータなど、外部からの所定の信号により駆動可能な駆動装置を用いることもできる。その場合にも、自動距離可変機構３５からの信号線３７を介した所定の信号によって、アクチュエータなど駆動装置を駆動させることにより、自動的にフィラメント２の伸縮状態の変化を補償することができる。

上述の伸縮状態検出手段によって、フィラメント２の伸縮状態の変化を検出することができる。

図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）を有する。ガス供給手段（図１の成膜用ガス供給装置２０参照）は、成膜室１内に原料ガス及びキャリアガスを供給する。図２に、ガス供給手段の一例として、成膜用ガス供給装置２０を示す。成膜用ガス供給装置２０は、成膜用ガス配管によって、成膜室１の成膜用ガス導入口１４へと接続される。成膜用ガス配管には、成膜用ガスの通過を制御・遮断するための開閉弁を適宜設置することができる。成膜用ガス供給装置２０により、所定の成膜用ガスを所定の流量で成膜室１へと導入することができる。

ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）は、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含む。図２に示す成膜用ガス供給装置２０では、流量制御機構として、キャリアガス流量制御器６２及び原料ガス流量制御器５２を示している。原料ガス流量制御器５２は、原料ガス貯留器５０から供給される原料ガスの流量を制御することができる。また、キャリアガス流量制御器６２は、キャリアガス貯留器６０から供給されるキャリアガスの流量を制御することができる。また、キャリアガス流量制御器６２及び原料ガス流量制御器５２の両方を適切に制御することにより、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が所望の比率となるようにすることができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、流量制御機構が、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が５〜２３％、好ましくは５〜９．５％の範囲内となるように、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御可能であることが好ましい。キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を所定の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができる。具体的には、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜中の成膜室１内部のガス分析を可能にするためのガス分析装置を含むことが好ましい。成膜中の成膜室１内部には、高熱のフィラメント２により原料ガスが分解するため、様々なガス種が存在する。成膜中のガス種の種類及び存在比をモニターすることにより、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われているかどうかを、判断することができる。もし、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われていないと判断した場合には、成膜条件、例えばフィラメント２に印加する電力、及び／又は成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）の流量などを変化させることにより、成膜の状態を制御することができる。なお、ガス分析装置としては、四重極形質量分析計を好ましく用いることができる。

図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２に電力を印加するための電源２４を有することができる。電源２４は、電流導入ケーブル１２によって、成膜室１の壁に取り付けられた電流導入ポート１３を介して、フィラメント２の電極（フィラメント固定部４０ａ及び４０ｂ）に電気的に接続される。成膜室１の壁への電流の流出を避けるため、フィラメント２固定部用支柱５及びフィラメント固定部用連結シャフト４１等には、電気絶縁部１６が配置されて電気的に絶縁される。

熱フィラメントＣＶＤ装置の流量制御機構では、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）、より好ましくは３〜４０ｍｌ／（分・ＫＷ）又は１０〜３０ｍｌ／（分・ＫＷ）、さらに好ましくは１５〜２５ｍｌ／（分・ＫＷ）、特に好ましくは１５〜２０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御可能であることが好ましい。なお、具体的には、フィラメント２に通電する電力が２４ＫＷ、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量が０．４３リットル／分の条件で、ダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

ダイヤモンド薄膜の成膜のためには、適切な成膜条件を選択することが重要である。本発明者らは、フィラメント２に通電する電力と、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量との関係を適切に制御することにより、少ないキャリアガスの流量にも関わらず、速い成膜速度でダイヤモンド薄膜の成膜を行うことができることを見出した。本発明者らの知見によると、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量を、上述の範囲に制御することが可能な熱フィラメントＣＶＤ装置を用いることにより、少ないキャリアガスで比較的安全に、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１内の気体を外部に排出し、成膜室１を真空にするための真空ポンプ２２を有することができる。真空ポンプ２２は、排気用配管によって成膜室１の排気ガス口１５へと接続される。排気用配管には、排気速度を制御するための制御弁及び／又は真空ポンプ２２への接続をするための開閉弁等を適宜設置することができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の構造は、適宜、変更可能である。例えば、フィラメント２及び基材４の成膜表面は、水平方向に配置されるように説明したが、フィラメント２及び基材４の成膜表面が垂直になるように構成することもできる。また、基材４の成膜表面が下方を向き、成膜表面が下方にフィラメント２を配置するように構成することも可能である。

また、基材４の表面が曲面である場合には、その曲面に沿うようにフィラメント２を配置することにより、曲面の基材４の表面に対しても薄膜を形成することができる。

本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、ダイヤモンド薄膜（多結晶ダイヤモンド薄膜）の形成のために用いることが好ましい。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるならば、速い成膜速度で大面積に均一な膜厚のダイヤモンド薄膜を形成することができる。

熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を形成する場合、成膜プロセス中の基材４の温度が８００〜１０００℃となる。そのため、ダイヤモンド薄膜を表面に形成するための基材４の材料として、シリコン、窒化ケイ素、アルミナ及び炭化珪素等の無機材料並びにモリブデン及び白金等の高融点金属を用いることができる。また、成膜中の基材４が高温であるため、基材４とダイヤモンド薄膜との熱膨張係数の差が大きいと、基材４の変形量が大きくなる傾向がある。基材４の材料として、ダイヤモンドの熱膨張係数に近い材料を用いたとき、変形量が小さくなり、例えば、ダイヤモンド薄膜をシール材の表面に形成する場合など、シール効果及び耐摩耗性を必要とする用途において、優れた特性を得ることができる。ダイヤモンドの熱膨張係数は、１．１×１０^−６／℃であるので、基材４の材料としては、熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下であることが望ましい。なお、熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下のものであれば、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミックス材料に限らず金属材料を用いることもできる。

次に、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法について説明する。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、上述の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いることができる。図１に示す熱フィラメントＣＶＤ装置を例に、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法について説明する。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント固定部４０にフィラメント２を固定する工程を含むことができる。フィラメント固定部４０及びフィラメント２については、上述した通りである。フィラメント固定部４０が、例えば、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟むような構造の場合には、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟み、ボルトなどにより締めこむことにより、フィラメント２を固定することができる。均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２は、互いに平行に、等間隔に配置されるように固定することが好ましい。より均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２の間隔は、２〜２０ｍｍであることが好ましく、５〜１５ｍｍであることがより好ましい。特に、フィラメント２の間隔が６〜１２ｍｍである場合には、優れた膜厚の均一性を得ることができる。また、図５に示すように、１μｍ／時間以上の成膜速度を得るためには、フィラメント２／基材４間の距離を１５ｍｍ以下にすることが好ましい。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材台３に基材４を配置する工程を含む。

本発明の製造方法では、基材台３に基材４を配置した後、基材４３とフィラメント２との距離（フィラメント２／基材４の距離）を２０ｍｍより大きくすることが好ましい。基材４３とフィラメント２との距離との距離は、基材台３を移動することによって、調節することができる。基材４とフィラメント２との距離が２０ｍｍ、好ましくは５０ｍｍｍ、より好ましくは１００ｍｍより大きい場合には、基材４に対する成膜速度は非常に遅いので、フィラメント２が所定の成膜温度になる前の基材４の表面への成膜を防止することができる。成膜の膜質は、フィラメント２の温度によって異なるため、良好な膜質の薄膜を得るためには、フィラメント２が所定の成膜温度になった後に、成膜を開始する必要がある。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、成膜室１内に成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）を導入する工程を含む。成膜用ガスは、ガス供給装置から成膜用ガス導入口１４を経由して成膜室１内に導入することができる。成膜用ガスの種類及び流量は、成膜する薄膜の種類に応じて、適宜、調整することができる。

例えば、多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜するための熱フィラメントＣＶＤ法の場合、原料ガスとして、炭化水素、アルコール、アセトン等の炭素化合物ガス（原料ガス）に水素ガス（キャリアガス）を混合した混合ガス（成膜用ガス）を用いることができる。また、成膜用ガスに水蒸気、酸素、一酸化炭素などを添加することもできる。また、半導体ダイヤモンド及び導電性ダイヤモンド等の薄膜を成膜するために、ボロンや窒素などを含むドーパントガスを添加することもできる。

成膜用ガスに水素ガスが含まれている場合、フィラメント２からの熱により活性化された水素は、非ダイヤモンド炭素に対して強いエッチング作用を示し、一方、ダイヤモンドに対してはほとんどエッチング作用を示さない。熱フィラメントＣＶＤ法は、この選択的エッチング作用をうまく利用して、基材４上における非ダイヤモンド成分の成長を抑え、ダイヤモンドのみを析出させることにより、ダイヤモンド薄膜を形成することができる。

高い品質のダイヤモンド薄膜を得ることができるため、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、原料ガスは、炭化水素ガスであり、キャリアガスが、水素ガスであることが好ましい。また、原料ガスは、メタンガスであることが、より好ましい。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスとして爆発性の高い水素ガスを用いる場合であっても、水素ガスの流量を低減することができるので、より安全にダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が５〜２３％、好ましくは５〜９．５％の範囲内となるように設定されることが好ましい。キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を所定の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができる。具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、水素ガスのようなキャリアガスの流量を低減することができるので、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、キャリアガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり、毎分１〜１７ミリリットルの範囲内とすることが好ましい。また、原料ガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり、毎分０．１〜０．８ミリリットルの範囲内とすることが好ましい。キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜する面積である処理面積１ｃｍ^２当たり、０．０５〜２ｍｌ／分の範囲内とすることが好ましい。合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜する面積である処理面積１ｃｍ^２当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室１の体積が１５０〜２００リットルの範囲内のいずれかの値である場合、キャリアガスを供給する流量が、毎分０．２〜３．０リットルの範囲内であり、原料ガスを供給する流量が、毎分０．０２〜０．１５リットルの範囲内であるように、ガス供給手段が原料ガス及びキャリアガスの流量を制御することが好ましい。ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、成膜室１の体積、キャリアガスを供給する流量及び原料ガスを供給する流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に成膜することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室の処理面積が１００ｃｍ^２以上の値であり、合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ^２当たり、毎分０．１４〜２．０ｍｌの範囲内であるように、ガス供給手段が原料ガス及びキャリアガスの流量を制御することが好ましい。ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、処理面積１ｃｍ^２当たりの原料ガス及びキャリアガスの合計ガス流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に製造することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント２に通電することにより、所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させる工程を含む。電力は、所定の電源２４から電流導入ケーブル１２及び電流導入ポート１３を経由して、電極としての役割を担う一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂへと印加することができる。一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂへ印加された電力は、フィラメント２へ印加され、フィラメント２を加熱する。フィラメント２へ印加する電流及び電圧を調整することにより、所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させることができる。

フィラメント２の温度を昇温させるときの昇温速度は、フィラメント２の伸縮状態検出手段によってフィラメント２の弛みを検出し、フィラメント固定部移動機構によって弛みを補償することができる範囲であることが必要である。具体的には、フィラメント２の昇温速度は、１５〜１２０℃／分であることが好ましく、４０〜９０℃／分であることがより好ましい。

また、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）、より好ましくは１０〜３０ｍｌ／（分・ＫＷ）、さらに好ましくは１５〜２５ｍｌ／（分・ＫＷ）、特に好ましくは１５〜２０ｍｌ／（分・ＫＷ）であることが好ましい。

ダイヤモンド薄膜の成膜のためには、適切な成膜条件を選択することが重要である。フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量を、上述の範囲に制御することにより、少ないキャリアガスで比較的安全に、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材４とフィラメント２との距離を２０ｍｍ以下にすることにより、基材４の表面に薄膜を形成する工程を含むことができる。所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させた後、基材４とフィラメント２との距離を２０ｍｍ以下にすることによって、基材４の表面に所定の薄膜の成膜を開始することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材４とフィラメント２との距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することが好ましく、２〜５ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することがより好ましい。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法において、基材４とフィラメント２との距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度、例えば１μｍ／時間を超える成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、ダイヤモンド薄膜の際に、基材台３に配置された冷却手段により、基材４を冷却することが好ましい。基材４を冷却することにより、成膜に適したフィラメント２の温度による基材４の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材４の温度を得ることができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、四重極形質量分析計などのガス分析装置によって、成膜中に成膜室１内部のガス分析を行うことが好ましい。成膜中の成膜室１内部には、高熱のフィラメント２により原料ガスが分解するため、様々なガス種が存在する。成膜中のガス種の種類及び存在比をモニターすることにより、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われているかどうかを、判断することができる。もし、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われていないと判断した場合には、成膜条件、例えばフィラメント２に印加する電力、及び／又は成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）の流量などを変化させることにより、成膜の状態を制御することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、フィラメント２の伸縮状態検出手段により検出されるフィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えることが好ましい。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法に用いる本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント固定部移動機構及びフィラメント２の伸縮状態検出手段を含むことができる。そのため、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いる本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント２の伸縮状態検出手段により検出されるフィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えることができる。したがって、熱フィラメントＣＶＤ法による成膜の際に、フィラメント２の弛みを修正することができる。そのため、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるならば、有効成膜面積を大面積化し、速い成膜速度で大面積に均一な膜厚の薄膜の形成を行うことができる。

また、成膜の終了後、フィラメント２の温度を下げる際には、フィラメント２の温度上昇の際とは逆に、フィラメント２が収縮することになる。そこで、フィラメント２の温度を下げる際には、フィラメント固定部移動機構によってフィラメント２を弛ませて検出領域３０から外し、収縮により電磁波測定機構３２によって検出領域３０におけるフィラメント２の存在を認識した場合に、フィラメント２を弛ませるという操作により、フィラメント２の温度を下げる際の破壊を防止することができる。

本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を成膜する際は、次の表の成膜条件にすることが好ましい。

本発明は、上述のダイヤモンド薄膜の製造方法によって製造されたダイヤモンド薄膜により、表面の少なくとも一部が被覆されるメカニカルシールである。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができるので、メカニカルシールの表面の少なくとも一部を、ダイヤモンド薄膜により、低コストで被覆することができる。

（実験１）
実験１として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表２に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験１では、成膜用ガス中のキャリアガス（水素ガス）流量に対する原料ガス（メタンガス流量）流量を５〜９．５％の範囲で変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。

基材４としては、市販のシリコンウエハー基板を用いた。基板の大きさは、φ３００ｍｍである。

熱フィラメントＣＶＤ装置は、図１に示すような構成のものを用いた。すなわち、熱フィラメントＣＶＤ装置は、ステンレス鋼製の真空容器（容積約１８０リットル）により成膜室１を構成した。成膜室１の排気のための真空ポンプ２２は油回転ポンプのみで構成されている。原料ガスの励起源であるフィラメント２は、０．１５ｍｍの３１本のタンタル線を、１０ｍｍ間隔で互いに平行に直線状に張って用いた。フィラメント２の両端は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂで固定した。一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂのうちの一つ（フィラメント固定部４０ｂ）には、フィラメント固定部用連結シャフト４１が側壁に取り付けられている。フィラメント固定部用連結シャフト４１は、外部のフィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）に連結されているので、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂのうちの一つの位置を移動することが可能である。

基材４（基板）の温度として、基材台３をアルメル−クロメル熱電対により測定した。

薄膜を形成する際の核生成密度を増加させるために、基板への傷つけ前処理をした。傷つけ前処理は、具体的には、ダイヤモンドペースト（ダイヤモンド粒径：１〜３μｍ）で基板表面にスクラッチ処理した後、エタノール中で数分間超音波洗浄することによって行った。

キャリアガスである高純度水素に、原料ガスであるメタンを混合した成膜用ガスを、フィラメント２の上方より導入した。各々のガス流量は流量計で調節し、装置内の圧力はピラニー真空計及び隔膜真空計により測定した。なお、多結晶ダイヤモンド薄膜を形成するために必要な各々のガス流量及びフィラメント２の温度等の成膜条件は、例えば表１に示す範囲から適宜選択することができる。また、多結晶ダイヤモンド薄膜の成膜条件は公知であり、例えば特許文献３に記載されている。本実施例では、成膜の際の各々のガス流量及びフィラメント２の温度は、多結晶ダイヤモンド薄膜の成膜可能な条件の中から選択し、すべて成膜において一定とした。

フィラメント２に通電し、加熱して、フィラメント２の温度を放射温度計で測定した。用いた放射温度計は、直径約１０ｍｍの光学的イメージを得ることができ、光学的イメージの中央のφ１ｍｍの領域の温度を測定することができる。したがって、この放射温度計を用いて、放射温度計の温度測定値の変化からフィラメント２の弛みを認識する場合の検出領域３０の大きさは、φ１ｍｍの円形であるといえる。また、この放射温度計は、測定対象物であるフィラメント２に光学的イメージの焦点を合わせることができる。その結果、放射温度計によって測定する際の検出領域３０の大きさを所定の大きさにすることができる。具体的には、この放射温度計を、放射温度計のφ１ｍｍの円形の検出領域３０が、最も外側に張架されたフィラメント２の中央を含み、放射温度計の焦点が張架されたフィラメント２に合うように配置した。本発明の電磁波測定機構３２として用い、フィラメント２からの放射電磁波を測定した。フィラメント２の加熱により、フィラメント２が弛むことにより、フィラメント２が所定の検出領域３０から外れると、放射温度計の温度の測定値が急激に下がる。その際に、フィラメント２の弛みを補償するようにフィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）を動作させた。このとき、放射温度計の温度の測定値が、再度、フィラメント２の温度である高温に戻り、フィラメント２の弛みが補償されたことを認識できるまで、フィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）を動作させた。

フィラメント２の加熱の際のみならず、成膜中も常に、所定の検出領域３０を放射温度計により測定し、フィラメント２の弛みが検出された際には、上述のように、フィラメント２の弛みを補償した。

上述のようにして作製した薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察することにより、成膜した薄膜の膜厚を測定した。さらに、成膜した薄膜を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びＸ線回折で評価し、膜質を評価した。

表３及び図５に、成膜用ガス中のキャリアガス（水素ガス）流量に対する原料ガス（メタンガス流量）流量を５〜９．５％の範囲で変化させて、多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、原料ガス／キャリアガスの流量割合（単に、原料ガス流量割合という。）と、成膜速度との関係を示す。成膜速度は、得られた多結晶ダイヤモンド薄膜の膜厚（平均膜厚）及び成膜時間から計算した。また、図８に、実験１で成膜した薄膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。

表３に示す実験１−２から実験１−５が、本発明の実施例である。表３及び図５に示すように、原料ガス流量割合が５％の場合（実験１−２）には、成膜速度が１μｍ／時間を超えたため、速い成膜速度であったといえる。また、原料ガス流量割合が１０％の場合（実験１−６）には、得られた薄膜が非晶質であった（図８（ｄ）参照）。なお、原料ガス流量割合が１０％未満の場合には、得られた薄膜が、多結晶ダイヤモンド薄膜であった（図８（ａ）〜（ｃ）参照）。以上のことから、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が、少なくとも５〜９．５％の範囲内であるならば、多結晶ダイヤモンド薄膜を速い成膜速度で成膜できることが明らかとなった。

（実験２）
実験２として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表４に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験２では、フィラメント２と基板（基材４）との間の距離を４〜７ｍｍまで変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。なお、表４に示すように、実験２の原料ガス流量割合を９％とした。

表５及び図６に、実験２のように多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、成膜速度と、フィラメント２／基材４間の距離との関係を示す。表５及び図６には、各条件で２回成膜を行った結果の成膜速度の範囲を示している。表５及び図６に示すように、フィラメント２／基材４間の距離が４〜７ｍｍの範囲で多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合には、２．４μｍ／時間以上という速い成膜速度を得ることができた。また、表５及び図６から、フィラメント２／基材４間の距離が短い方が、速い成膜速度を得ることができることが見て取れる。

（実験３）
実験３として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表６に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験２では、成膜用ガス圧力（ダイヤモンド薄膜を成膜する際の成膜室１内の成膜用ガスの圧力）を５〜７．５ｋＰａまで変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。なお、表６に示すように、実験３の原料ガス流量割合は、９％だった。なお、成膜した薄膜は、すべて多結晶ダイヤモンド薄膜だった。

表７及び図７に、実験３のように多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、成膜速度と、成膜用ガス圧力との関係を示す。表７及び図７に示すように、成膜用ガス圧力が５〜７．５ｋＰａの範囲で多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合には、２．５μｍ／時間以上という速い成膜速度を得ることができた。

１ 成膜室
２ フィラメント
３ 基材台
４ 基材
５ フィラメント固定部用支柱
７ 基材台用支柱
８ 基材台駆動装置
９ 成膜室側壁
１０ 監視窓
１２ 電流導入ケーブル
１３ 電流導入ポート
１４ 成膜用ガス導入口
１５ 排気ガス口
１６ 電気絶縁部
１８ 真空シール部
２０ 成膜用ガス供給装置
２２ 真空ポンプ
２４ 電源
３０ 検出領域
３２ 電磁波測定機構
３５ 自動距離可変機構
３６ 信号線（電磁波測定機構から自動距離可変機構へ）
３７ 信号線（自動距離可変機構からフィラメント固定部用駆動装置へ）
４０、４０ａ フィラメント固定部
４０ｂ フィラメント固定部（可動）
４１ フィラメント固定部用連結シャフト
４２ フィラメント固定部用駆動装置
５０ 原料ガス貯留器
５２ 原料ガス流量制御器
６０ キャリアガス貯留器
６２ キャリアガス流量制御器

Claims (13)

1. 熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法であって、
   前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、
   成膜室と、
   前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、
   前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能な直径０．０５〜１ｍｍのフィラメントと、
   前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と
   を含み、
   ダイヤモンド薄膜の製造方法が、
   前記基材台に前記基材を配置する工程と、
   前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、
   前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程と、
   を含み、
   前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が７〜９％の範囲内となるように設定され、
   前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計ガス流量（ｍｌ／分）が、１５〜２０ｍｌ／（分・ＫＷ）である、ダイヤモンド薄膜の製造方法。
2. 前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜可能な面積である処理面積１ｃｍ^２当たり、０．０５〜２ｍｌ／分の範囲内とする、請求項１に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
3. 前記成膜室の前記処理面積が１００ｃｍ^２以上の値であり、
   前記合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ^２当たり、０．１４〜２．０ｍｌ／分の範囲内であるように、前記ガス供給手段が前記原料ガス及び前記キャリアガスの流量を制御する、請求項２に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
4. 前記原料ガスが、炭化水素ガスであり、前記キャリアガスが、水素ガスである、請求項１から３のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
5. 前記基材と前記フィラメントとの距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定する、請求項１から４のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
6. 前記基材台が、前記基材台に配置された前記基材を冷却するための冷却手段を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
7. 前記フィラメントの伸縮状態の変化を検出するための前記フィラメントの伸縮状態検出手段により、電磁波の強度変化又は電磁波の波長、強度若しくはそれらの組み合せの測定結果に基づいて前記フィラメントの伸縮状態の変化を検出することを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
8. フィラメントの直径が、０．０５〜０．２ｍｍである、請求項１から７のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
9. 前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程において、基材の温度が８００〜１０００℃であるように、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させることを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
10. 前記フィラメントの前記所定の温度が、２４００〜２５００℃である、請求項１から９のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
11. 前記フィラメントと、前記基材との間の距離が、１〜７ｍｍである、請求項１から１０のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
12. 前記成膜室の体積が１５０〜２００リットルの範囲であり、前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給して、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させたときの成膜室の圧力が１〜６ｋＰａである、請求項１から１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法によって製造されたダイヤモンド薄膜により、表面の少なくとも一部を被覆する工程を含む、メカニカルシールの製造方法。