JP7335551B2 - ダイヤモンド膜等を形成するためのデバイスおよびその形成方法 - Google Patents
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Description
基材の表面上に少なくともダイヤモンド膜を形成するためのデバイスであって、
原料液を保持しかつ該原料液中に基材を設置するための容器と、
正電極および負電極を備え、かつ前記原料液中にてプラズマを発生させるための電極部と、
前記電極部にそれぞれ接続された原料ガス供給部およびキャリアガス供給部と、
前記電極部に電圧を印加するための電源と
を有して成り、
前記電源が直流電源であり、および
前記電極部が付加部材を更に備え、該付加部材が該電極部の前記プラズマの発生領域に位置する電極に取り付けられている、デバイスが提供される。
基材の表面上に少なくともダイヤモンド膜を形成するための方法であって、
容器内に基材を設置し、かつ該基材を設置した該容器内に原料液を保持すること、
正電極および負電極を備えかつ前記原料液中に先端側が位置付けられる電極部内に、原料ガスおよびキャリアガスを供給すること、ならびに
電源を用いて前記電極部に電圧を印加して、該電極部の前記先端側にてプラズマを発生させること
を含み、
前記電源として直流電源を用い、および
前記電極部として付加部材を更に備えるものを用い、該付加部材が該電極部の前記プラズマの発生領域に位置する電極に取り付けられている、方法が提供される。
上述のように、本願発明者らは、従前のダイヤモンド膜形成デバイスでは、その構成要素である電源として高周波電源を用いることが当業者にとって一般的であって、直流電源を用いることは当業者にとって一般的でないことを見出した。かかる事項は下記内容に基づいている。電源として直流電源を用いると、高周波電源を用いる場合と比べて電極に電圧を印加して形成されるプラズマは非常に高温状態となり、それにより電極が過剰に加熱され、電極が溶融する虞がある。かかる電極の溶融は、プラズマ照射による基材上における好適なダイヤモンド形成を阻害し得る。そのため、本願発明者らは、液中にてプラズマを発生するための電源としての直流電源使用回避が当業者の認識であると認識している。この点につき、直流電源には、形成デバイスの構造簡素化および大電力を低コストで供することが可能という利点がある。
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態に係るダイヤモンド膜形成デバイスの構成を説明する。
上記構成要素を有して成るダイヤモンド膜等形成デバイス100を使用する場合、以下の工程を少なくとも経ることで、基材30の表面上に少なくともダイヤモンド膜を形成し得る。
●容器10内に基材30を設置し、かつ基材30を設置した容器10内に原料液20を保持する工程
●正電極41および負電極42を備えかつ原料液20中に先端40X側が位置付けられる電極部40内に原料ガス50Xおよびキャリアガス60Xを供給する工程、ならびに
●電源70(直流電源71)を用いて電極部40に電圧を印加して、電極部40の先端40X側にてプラズマPを発生させる工程
ここで、本願発明者らは、上述の自ら見出した「電源70として直流電源71を用いる際、非常に高温状態のプラズマPに電極部40が晒されることにより電極が溶融し得る」という技術的課題を克服するために鋭意検討した。その結果、本願発明者らは、ダイヤモンド膜等形成デバイス100の構成要素である電極部40に特徴をもたせることを案出した。具体的には、図2に示すように、非常に高温状態のプラズマPの雰囲気に晒される電極部40の構成要素として、正電極41および負電極42に加え付加部材43を新たに導入する。本明細書でいう「付加部材」とは、電極部の構成要素として付加的に又は追加的に供された部材を指す。なお、図2に示すように、当該付加部材43は、電極部40のプラズマPの発生領域に位置する電極に取り付けられている。すなわち、付加部材43は、プラズマPの発生領域に位置する電極に付加的に取り付けられる取付部材43Xであると言える。これに対して、従来のダイヤモンド膜形成デバイスでは、電極部の構成要素として正電極および負電極に加え付加部材を“敢えて”新たに導入するという技術的思想はそもそも存在しない。この点において、従来態様と比べて、本発明のダイヤモンド膜形成デバイスの構成は特徴的であると言える。
付加部材43がプラズマPの発生領域に位置する電極に付加的に取り付けられる事は、プラズマPの発生領域に位置する電極が付加部材43に被覆されることを意味する。つまり、当該被覆が為されることにより、付加部材43がプラズマPの発生領域に位置する電極その物の保護部材として機能し得る。これにより、付加部材43の存在に起因して、付加部材43の直下に位置する電極がプラズマPに直接晒されることを好適に回避することが可能となる。従って、かかる回避に起因して、非常に高温状態のプラズマPに電極部40が晒されることによる電極の溶融を好適に抑制可能となる。
上記の「非常に高温状態のプラズマPに電極部40が晒されることによる電極溶融の好適な抑制」という技術的効果をふまえると、付加部材43は、電極の溶融防止部材43Yとして機能し得る。なお、本明細書でいう「電極の溶融防止部材」とは電極部の構成要素である電極の溶融を防止するための部材を指す。これに対して、従来のダイヤモンド膜形成デバイスでは、電極部の構成要素として電極の溶融防止部材を“敢えて”更に導入するという技術的思想はそもそも存在しない。この点においても、従来態様と比べて、本発明のダイヤモンド膜形成デバイスの構成は特徴的である。
又、本願発明者らは、電極部40の構成要素として新たに付加部材43を導入した場合、付加部材43自体もプラズマの高温熱雰囲気に晒されるため、付加部材43の一部溶融が生じ得る可能性があると認識している。当該付加部材43の一部溶融が発生すると、それに起因してプラズマPの熱により原料ガス50X内の炭素源(C源)が取り出されることに加えて、付加部材43の構成材料に起因した不純物が生じ得ることが考えられる。この場合、付加部材43は不純物供給源部材43Zとして機能し得る。なお、本明細書でいう「不純物供給源部材」とは、基材の表面側に不純物を供給する起源となり得る部材を指す。発生したプラズマPは基材30へ直接照射可能であるため、それに起因して取り出された炭素源および付加部材43の構成材料に起因した不純物が基材30の表面(特に上面)側に供されることとなる。
(使用したダイヤモンド膜等形成デバイス100の構成)
●容器10:
円筒状の石英ガラスとステンレス鋼フランジから成り、シリコンパッキンとOリングにより気密性が保持されたもの。容器10の内部には原料液20とキャリアガス60X(Arガス)が満たされている。
●原料液20:
メタノール溶液(97体積%)とエタノール溶液(3体積%)
●基材30:
超硬合金基材(寸法8mm×27mm×0.5mm、炭化タングステン(WC)とコバルト(Co)を混合して得られた焼結体(重量比5:1))
●正電極41(電極部40の構成要素):
円筒形のCu系正電極(内径:6.0mm)
●負電極42(電極部40の構成要素):
円柱状のW系負電極(径:2.4mm)
●付加部材43(電極部40の構成要素):
円筒形のCu系正電極の端部に設けられたCu-W系合金部材(金属元素割合:W(84%),Cu(14%),その他金属等(2%))
●原料ガス供給部50:
メタノール溶液(97体積%)とエタノール溶液(3体積%)との混合溶液を170℃まで加熱気化させて得られる原料ガス50Xを供給するための圧力容器
●キャリアガス供給部60:
アルゴンガスを供給するためのボンベ
●電源70:
直流電源(TIG溶接機MT-200WA、マイト工業株式会社製)(投入電流:10A)
●ガス冷却部80
●液タンク90
(1)まず、容器10内の基材ホルダーに超硬合金基材(寸法8mm×27mm×0.5mm)を設置し、かつ超硬合金基材を設置した容器10内をメタノール溶液(97体積%)とエタノール溶液(3体積%)の混合溶液およびアルゴンガスで満たした。この際、電極部40の先端40Xが混合溶液内に位置付けられ、かつマイクロメータを用いて超硬合金基材と電極部40の先端40Xとの間の距離が1.0mmとなるように高さ調節した。容器10の気密性については、シリコンパッキンとOリングにより保持した。又、超硬合金基材の前処理として,サンドペーパーで2分間その表面を粗加工し、コロイド水(メタノールと核となるダイヤモンドパウダーとの重量比が5:1のもの)で超音波研磨処理を30分間行い、メタノールにより表面を洗浄した。
使用機器
得られた成膜の品質に関して以下の機器を用いて分析した。
・走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子株式会社製/品名:JSM-6060)
・顕微ラマン分光分析装置(RENISHAW社製/品名:inViaReflex、励起光(150mW)、スポット径:1.4μm、YAGレーザ波長:532nm)
(使用したダイヤモンド膜形成デバイス100の構成)
実施例1と異なり、基材30として以下のSi基板を用いた。その他の構成要素については実施例1と同条件であるため、説明が重複する部分については記載を省略する。
●基材30:
Si基材(寸法8mm×27mm×0.5mm)
基材30としてSi基板を用いたことを除いて、実施例1にて実施した工程と略同一であるため、説明が重複する部分については記載を省略する。
使用機器
得られた成膜の品質に関して、実施例1で用いた際と同じ走査型電子顕微鏡(SEM)および顕微ラマン分光分析装置を用いて分析した。
実施例2と略同条件であるため、説明が重複する部分については記載を省略する。なお、異なる点は以下のとおりである。
●実施工程(2)にてアルゴンガスプラズマによる加熱後のSi基材の温度が710~940℃である点
●実施工程(4)にてSi基材上にて成膜形成工程を134秒間実施した点。なお、134秒間の実施では、成膜は終了しておらず成膜途中の状態であった。又、成膜化挙動は、直流電源より出力された電流が12Aであって電圧が16.2~22.4v(平均電圧:19.3v、平均出力:231.6W)の間である場合に見受けられた。
使用機器
得られた成膜の品質に関して、実施例1および実施例2で用いた際と同じ走査型電子顕微鏡(SEM)および顕微ラマン分光分析装置用いて分析した。
実施例2と略同条件であるため、説明が重複する部分については記載を省略する。なお、異なる点は以下のとおりである。
●実施工程(2)にてアルゴンガスプラズマによる加熱後のSi基材の温度が670~740℃である点
●実施工程(4)にて発生させたプラズマPをSi基材に200秒間照射することで、当該基材上での成膜形成工程を実施した。又、成膜化挙動は、直流電源より出力された電流が22A(入力電流20A)であって電圧が19.4~23.2v(平均電圧:21.3v、平均出力:468.6W)の間である場合に見受けられた。
使用機器
得られた成膜の品質に関して、実施例1~3で用いた際と同じ走査型電子顕微鏡(SEM)および顕微ラマン分光分析装置用いて分析した。
10 容器
20、20’ 原料液
30、30’ 基材
40 電極部
40X 電極部の先端
41 正電極
41X 正電極の内部空間領域
42 負電極
43 付加部材
43X 取付部材
43Y 電極溶融防止部材
43Z 不純物供給源部材
50 原料ガス供給部
50X 原料ガス
60 キャリアガス供給部
60X キャリアガス
70 電源
70’ 高周波電源
71 直流電源
80 ガス冷却部
90 液タンク
P、P’ プラズマ
Claims (19)
- 基材の表面上に少なくともダイヤモンド膜を形成するためのデバイスであって、
原料液を保持しかつ該原料液中に基材を設置するための容器と、
正電極および負電極を備え、かつ前記原料液中にてプラズマを発生させるための電極部と、
前記電極部にそれぞれ接続された原料ガス供給部およびキャリアガス供給部と、
前記電極部に電圧を印加するための電源と
を有して成り、
前記電源が直流電源であり、および
前記電極部が付加部材を更に備え、該付加部材が該電極部の前記プラズマの発生領域に位置する電極に取り付けられており、前記付加部材が前記プラズマの発生領域における不純物供給源部材である、デバイス。 - 前記付加部材が前記プラズマの発生領域における前記電極の溶融防止部材である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記付加部材が、前記プラズマを発生させる前記電極部の先端側に供される、請求項1又は2に記載のデバイス。
- 前記付加部材が、前記プラズマの発生領域に位置する前記正電極の表面に位置付けられる、請求項1~3のいずれかに記載のデバイス。
- 前記付加部材が、前記正電極の構成材料および前記負電極の構成材料を含んで成る合金部材である、請求項1~4のいずれかに記載のデバイス。
- 前記正電極は内部空間領域を有する筒構造を有し、前記負電極は該正電極の該内部空間領域内を延在し、および
前記プラズマの発生領域は、前記正電極と、該正電極の前記内部空間領域内を延在する前記負電極との間に供される、請求項1~5のいずれかに記載のデバイス。 - 前記正電極がCu系材料から構成され、前記負電極がW系材料から構成され、および前記付加部材がCu-W系材料から構成される、請求項1~6のいずれかに記載のデバイス。
- 前記付加部材は、金属元素割合でCuよりもWを相対的に多く含んで成る、請求項7に記載のデバイス。
- 前記電極部が、該電極部と前記基材とが相互に対向するように前記基材の鉛直上方に位置付けられる、請求項1~8のいずれかに記載のデバイス。
- 基材の表面上に少なくともダイヤモンド膜を形成するための方法であって、
容器内に基材を設置し、かつ該基材を設置した該容器内に原料液を保持すること、
正電極および負電極を備えかつ前記原料液中に先端側が位置付けられる電極部内に、原料ガスおよびキャリアガスを供給すること、ならびに
電源を用いて前記電極部に電圧を印加して、該電極部の前記先端側にてプラズマを発生させること
を含み、
前記電源として直流電源を用い、および
前記電極部として付加部材を更に備えるものを用い、該付加部材が該電極部の前記プラズマの発生領域に位置する電極に取り付けられており、前記付加部材が前記プラズマの発生領域における不純物供給源部材である、方法。 - 前記付加部材が前記プラズマの発生領域における前記電極の溶融防止部材である、請求項10に記載の方法。
- 前記付加部材を、前記プラズマを発生させる前記電極部の前記先端側に供する、請求項10又は11に記載の方法。
- 前記付加部材を、前記プラズマの発生領域に位置する前記正電極の表面に位置付ける、請求項10~12のいずれかに記載の方法。
- 前記付加部材として、前記正電極の構成材料および前記負電極の構成材料を含んで成る合金部材を用いる、請求項10~13のいずれかに記載の方法。
- 前記正電極としてCu系材料から構成されるものを用い、前記負電極としてW系材料から構成されるものを用い、および前記付加部材としてCu-W系材料から構成されるものを用いる、請求項10~14のいずれかに記載の方法。
- 前記付加部材として、金属元素割合でCuよりもWを相対的に多く含んで成るものを用いる、請求項15に記載の方法。
- 前記プラズマの発生領域から前記基材へと、前記キャリアガスに基づく第1プラズマおよび前記原料ガスに基づく第2プラズマをそれぞれ供給し、
前記第2プラズマの供給に先立って、前記第1プラズマを前記基材へと供給する、請求項10~16のいずれかに記載の方法。 - 前記電極部と前記基材とが相互に対向するように、前記電極部を前記基材の鉛直上方に位置付ける、請求項10~17のいずれかに記載の方法。
- 前記基材の前記表面上に前記ダイヤモンド膜に加えカーボンナノチューブを更に形成する、請求項10~18のいずれかに記載の方法。
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