JPH01103987A - 気相法によるダイヤモンド合成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は気相法のダイヤモンド合成法に関し、とくに表
面研摩用砥粒として好適な、さらに樹脂、粘土等と混合
成型して切断、研摩用砥石としての使用に好適な多結晶
ダイヤモンドの気相法による合成法に関する。

〈従来の技術〉 ダイヤモンドは最も硬い物質として知られ、このため砥
粒として、又は母材物質と混合成型して砥石として広く
使用されている。ダイヤモンドは天然のもの＼外に、例
えば超高圧法等により製造された合成品が多く利用され
ている。

これら天然、合成のダイヤモンドを砥粒として使用する
場合、通常大きな粒子の破砕粒、又は単結晶を使用する
。

さらに近年気相法のダイヤモンド合成法が開発された。

この合成法は炭化水素、酸素、窒素等を含む有機化合物
のガスを炭素源として、これに水素ガスを混合し、プラ
ズマ化等の励磁状態として、ダイヤモンドを大村上に析
出させる方法である。この場合の析出ダイヤモンドは薄
膜状、あるいは粒状となる。これら薄膜状、あるいは粒
状ダイヤモンドは切削用工具やコーティング用として使
用される。

本発明者らも気相法ダイヤモンドに関するものとして、
ＳｉＣ粒子を核とした気相合成法により、特殊な形状の
多結晶ダイヤモンドが得られることを確認して特願昭６
２−９８６５７．６２−９８６５８を、又基体に鉄、コ
バルト、ニッケル、クロム粒子又はバラジウム、白金、
金、イツトリウム粒子を分散させることにより、安定し
た条件でダイヤモンドを合成させつるとの知見にもとづ
いて、特願昭６２−１１２２５６、および特願昭６２−
１７８８９０を出願した。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の砥粒用又は砥石原料用としてのダイヤモンドには
次のような問題点がある。

まず破砕粒は不定形て鋭いエッチを有する場合が多いた
め、これを砥粒として研削する場合にはエッチが被研削
物に深い傷を作り、この傷を除去するのに更に研摩を必
要とする。

又単結晶粒は、結晶粒が目形面を有するために切れ味が
悪く、いわゆる重研削用に適する。又母材物質と＼もに
成型して砥石として使用する場合、この単結晶はマトリ
ックスである母材物質における保持性が充分でない、こ
のため一般には単結晶表面をマトリックスになじみ易い
層で被覆し、又は単結晶に対ψて表面処理をして、単結
晶のマトリックスの中の保持性を改善しいてる。具体的
な一例としては、レジノイド用ダイヤモンド粒にニッケ
ルを無電解めっきをして（５０〜６０重量％）、マトリ
ックスに対するなじみ性を良好にし、粒のマトリックス
に対するアンカー効果を改善すると＼もに切削時の発生
熱拡散性を改善させている。

然しこのような処理は、砥粒、砥石の製造コストを増加
させ又切削時に被覆層による切削性能低下をもたらす。

さらに特願昭６２−９８６５７．９８６５８に記載の多
結晶ダイヤモンド粒子は、ＳｉＣを核として製造する必
要があり、また特願昭６２−１１２２５６　、６２−１
７８８９０の気相法により製造されるダイヤモンド粒は
自形の発現した６〜８面体粒であり、砥粒や砥石原料と
する場合に、次にのべるような問題点かある。

（問題点を解決するための手段〉 本発明者らは砥粒としての研削性能にすぐれ、又母材物
質と＼もに砥石とした場合もマトリックスである母材物
質ともなじみ易く、シたがって表面処理等を必要としな
いダイヤモンド粒子をつる目的で研究の結果、本発明を
完成した。

即ち本発明は有機化合物から気相法によりダイヤモンド
を合成するに際し、ホウ素、アルミニウム、銅から選ば
れた少なくとも一種がその表面に存在している基材を用
いることを特徴とするダイヤモンドの気相法による合成
法に関する。

本発明の方法により製造されたダイヤモンドは多結晶で
表面に多数の角錐状突起を有する金平糖状粒子で砥粒又
は砥石材料として好適であり、本発明の方法により再現
性よく製造しつる。

本発明により製造された多結晶ダイヤモンド粒子は一つ
一つの粒子が独立しているもの、或いは複数個が結合し
ているものへ両方が存在する。そしていずれの場合でも
一個の粒子はアスペクト比１〜１．３、粒子径０．３〜
２００　μｍ、角錐状突起の高さは突起の先端までを含
めた球状粒子径の１〜２０％であり、又角錐は大部分が
五角錐、又は四角錐であり、粒子全面が多数のこれら角
錐により覆われている０粒子は多結晶体であるが、角錐
部は単結晶でもよい。

前記多結晶ダイヤモンド粒子は前述のように表面全面に
角錐による複雑な凹凸が存在するので、砥石に成型した
場合は、マトリックスとの間に結合力を生じ、このため
粒子表面に何ら特別の処理を行わなくても、マトリック
スの粒子に対する保持性は極めて良好に保たれる。又表
面処理が行われていないので研削時に研削性能が低下す
ることはない。

そして結晶粒の角錐状突起のエッヂは破砕粒のエッチと
異なり、研摩の場合は研摩時に被研摩物に鋭く喰いこむ
ことはない。

又一般には砥粒は摩耗時に小破砕が生じ新らしいエッチ
が次々と出現するものが研削性能が高い゛が、本発明方
法により製造された多結晶ダイヤモンド粒子の形状は、
この現象の生成に好適である。即ち多結晶ダイヤモンド
粒子表面に存在する多数の角錐状突起は研削時に順次小
破砕が起り、新らしいエッチが次々に現われる。即ち絶
えず新らしい研削刃先が出現するので、高い研摩研削性
能が常に維持される。

本発明の方法により製造された多結晶ダイヤモンド粒子
は以上の説明の如く砥粒、砥石用としてとくに好適であ
るが、従来天然、又は合成ダイヤモンドが用いられてい
たあらゆる用途にも適合する。

本発明の方法はホウ素、アルミラム、銅の一種、又はそ
れらの合金や複合物がその表面に存在している基材を用
いる以外、従来の気相法に準じて実施することができる
。

即ち使用可能な基材としては、従来の気相法に用いられ
ているＳｉ、　Ｗ　、　Ｍ、等の耐熱金属板、ＳｉＣ、
Ｓｉｎ、　、　ＷＣ等のセラミック燃結体が挙げられ、
これら基材にホウ素、アルミニウム、銅の一種又は複合
物を例えば蒸着により付着させて用いる。

次に前記の蒸着について述べる。蒸着には、スパッタリ
ング、ＣＶＤ　、真空あるいは減圧蒸着、イオンブレー
ティング等が含まれる。

スパッタリングは減圧下で、Ａ、、等のイオンを加速し
、ホウ素、アルミニウム、銅又はそれらの合金組成のス
パッタ材料にあて、スパッタ材から原子又はイオンを飛
び出させ、基材にこれら金属元素の原子又はクラスター
状粒子を凝着させる方法である。

ＣｖＤはホウ素、アルミニウム、銅の一種以上を含む化
合物を熱分解し、基材上にそれぞれ対応する金属粒子を
析出させる方法である。

さらに真空あるいは減圧蒸着は真空、あるいは減圧下で
金属を蒸発させ、基材上に析出させる方法である。

またイオンブレーティングは直流電圧、高周波等の励起
手段で、Ａ１ガス等の電離気体によるプラズマを形成し
、その中に金属又は化合物の蒸気を加熱蒸発又は電子線
加熱等により発生させて導入し、励起状態を経て、基材
上に析出させる方法である。

これらの手法によってターゲットの金属元素又はそれら
の合金等の複合組成を凝着させた基板を用いてのダイヤ
モンド合成を行なった場合、ホウ素、アルミニウム、銅
はダイヤモンド核生成時に活性な働きをし、ダイヤモン
ド結晶の特定面の成長を著しく増大させる結果、結晶粒
表面に多数の角錐状突起を有する金平糖状ダイヤモンド
多結晶粒子となるものと思われる。

核形成密度は蒸着条件にもよるが適性条件下では、数１
０ｐｍ間隔に核を形成させ得るため、成長ダイヤモンド
粒は独立したしかも粒径分布の狭いものが容易に得られ
、しかもその再現性は非常に良い。

この議長ダイヤモンド粒子の大きさは析出時間等によっ
てコントロールできる。そして途中で新しい核の発生は
あまりないので、かなり揃った粒子が多く得られる。

本発明は前記基材を用いる外は従来の気相ダイヤモンド
合成方法と変りはない。即ち、有機化合物としてはメタ
ン、エタン等の炭化水素、メタノール、エタノール、ア
セトン等の含酸素有機化合物を用いることができる。ま
た炭化水素に少量の０□、Ｃ０１ＣＯ□、１１．０ガス
を含有させることもできる。これらのガスは一般的に水
素ガスと混合（有機化合物の濃度０．２〜ＩＯ容量％）
して使用されるが、その際一部をアルゴン、ヘリウム等
の不活性ガスて置換することもできる。

ガス圧力はＩ　Ｔｏｒｒの減圧から１０００Ｔｏｒｒ程
度まで可能である。

水素ガス等のプラズマ化、原子状水素の発生等ガスの励
起は、２０００〜２３００℃程度に加熱したタングステ
ン等のフィラメントを用いる方法、°ガスにマイクロ波
、高周波出力を作用させる方法、直流アーク放電などす
べての方法を採用することができる。

基材としては前記したＳｉ、ＳｉＣ％ＷＣ等が用いられ
、これらは板状にしたもの＼外、ＳｉＣ，ＷＣ等では粒
状物を用いることもできる。これらの基材の温度は通常
２５０〜１０００℃である。

〈発明の効果〉 本発明により、気相法で安定した操業下に再現性よく砥
粒又は砥石用原料として好適なダイヤモンド砥粒の製造
が可能となった。

〈実　施　例） 基板として、１４ｍｍ角、厚さ０．３６會曹のＳｉウェ
ハーを用い、ホウ素、アルミニウム、銅の板をスパッタ
ーターゲットとして、Ａ「ガス圧０．０５Ｔｏｒｒ、そ
れぞれに対する印加電圧、電流、時間を１．２ＫＶ　。

０．５　ｍＡ　　、　３０分；　ＩＫＶ　、　０．７ｍ
Ａ　、３０分、　１．ＩＫＶ、０．５膳Ａ　６０分とし
てスパッターを施した。

次に各スパッターを施したＳｉウェハーを用い、次の条
件でダイヤモンドの合成を行った。

即ち内容積約２リツトルの熱フイラメント合成装置内に
、前記スパッター処理基板をフィラメント直下５■に設
訂した。エチルアルコールを１．３容量％を含有するＨ
２ガスを８０８ＣＣＭ流通させた。圧力１００Ｔｏｒｒ
　、フィラメント温度２２００℃、基板温度８００℃で
１時間反応させた。反応後いずれの基板にもその表面に
、１０ＩＬｍ前後の多数の角錐状突起を有する金平糖状
粒子が生成していること、を確認した。又これらの基板
を薄膜Ｘ線回折法により解析した結果、ダイヤモンド結
晶による回折ピークを認めた。

図面は銅スパッターを施した基板に生成した金平糖状ダ
イヤモンド粒子結晶の１０００倍の走査型電子顕微鏡（
ＳＥＭ）写真を示す。

〈比　較　例〉 実施例１で用いたと全く同様のＳｉ基板にスパッター材
としてＳｉを用い、Δｒイオンで電圧１．２ＫＶ、電流
０．４ｎ＋Ａで１時間スパッターを行なった。

スパッター処理した基板を用い、実施例と同じ条件で合
成実験を行なった。

実験完了後、基板表面を光学顕微鏡観察した所、２〜５
ｇｍ程度のアモルファスカーボン状球体が点在し、所に
よっては、球状体が数十個集合した塊となって点在して
いた。自形の出現したものや角錐状突起の現われたもの
は無かった。

又薄膜Ｘ線回折では黒鉛のブロードなピークとダイヤモ
ンドの低い３本のピークを認めた。

実施例、比較例ば本発明方法によってのみ砥粒として、
砥石原料として好適な角錐状突起を有する金平糖状ダイ
ヤモンド結晶が生成されることを示している。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法により合成されたダイヤモンドの結晶
構造を示す１０００倍の走査型電子顕微鏡写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機化合物から気相法によりダイヤモンドを合成するに
   際し、ホウ素、アルミニウム、銅から選ばれた少なくと
   も一種がその表面に存在している基材を用いることを特
   徴とする気相法によるダイヤモンド合成法。