JPH01188496A - 気相法ダイヤモンドの合成法 - 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） 本発明は研削、研摩用、各種精密部材用等として有用な
ダイヤモンドの低圧気相法ダイヤモンド合成法に関し、
とくに対向アーク放電によるダイヤモンド合成状態への
励起手段に関する。

〈従来の技術〉 低圧気相法ダイヤモンド合成法は、炭化水素又は酸素、
窒素等を含む有機化合物と水素とを混合し、熱フイラメ
ントマイクロ波プラズマ、高周波プラズマ、直交流アー
ク放電等により励起して、基材の上にダイヤモンドを析
出する方法に関する。

本発明は前述の方法のうち、励起手段としてアーク放電
によるものであり、とくに対向電極型アーク放電による
ものである。

従来より対向アーク放電による低圧気相法ダイヤモンド
の合成法について研究は行われている。

この方法における放電アークは高温であり、しかも放電
自体の持続性を維持するためには、基板とアークとは直
線的に平行で、かつアークと基板間は、ある程度離れて
いることが必要とされていた。この場合ダイヤモンド析
出速度は １０数ｇｍ／ｈｒ程度であり、しかもダイヤモンドの析
出はアークの中央直下及びその付近の基板上に限られて
いた。

〈発明が解決しようとする課題〉 対向アーク放電による低圧気相法ダイヤモンドの実用化
のためには、析出速度の高速化、析出面積を増大するこ
とが必要であるが、この目的のために基板とアーク間の
距離の短縮を行なうと、析出ダイヤモンドの結晶にはエ
ツチングを生じ、かつ黒鉛相が混入する。したがって上
述のような現象を生じないで対向アーク放電により、ダ
イヤモンド析出速度の高速化、析出面積の増大を可能と
する方法の開発が実用的に強く要求されている。

く課題を解決するための手段〉 前記要求に応する方法を開発する目的で、本発明者らは
アーク放電の高温、高密度エネルギーの制御法について
種々研究の結果、従来ははゾ直線的で基板に平行であっ
たアークを基板に偏位させることにより目的を達するこ
とを知り、本発明を完成した。

即ち本発明は対向アーク放電によりダイヤモンド合成可
能状態に励起し、基体上にダイヤモンドを析出させる気
相法ダイヤモンドの合成方法において、アークを基体側
に変位させつ＼タイヤセントを析出させることを特徴と
する気相法ダイヤモンドの合成法に関する。具体的には
ダイヤモンド合成原料ガスをアークに対し、アークの基
体とは反対側より基体方向に向けて、後述のような特定
の条件で吹きつけることにより、容易にアークを偏位さ
せることができる。

アーク放電法はアークの持続のための、ふん囲気ガスの
水素濃度は大きいは望ましいか、実用的には５０〜９５
容量２が適している０例えば水素８０容量２とはＡｒ、
Ｈ２ふん囲気で８２／　（Ｈｚ＋Ａｒ）−８０／　１０
０のことである。

アークは開始時、電極間電位により電離した気体部分を
通じて陰極から大量の電子の流れを生じ、これか気体分
子イオンと衝突を繰返しプラズマ化しアークが持続する
と考えられる。この場合、タイヤセント析出可能な領域
はアーク外周部近傍の限られた空間である。この通常は
直線的であるアークを、基板側に変位させて、彎曲部を
生じさせ、この彎曲部を基板に近づけてダイヤモンド合
成原料ガスを供給すると、アークかはゾ直線である場合
に比し、ダイヤモンド析出速度、ダイヤモンド析出面積
を増大することができた。

本発明方法について、図面にもとづいて説明す。

ｌは陽極、２は陰極、３はダイヤモンド合成原料ガス導
入管である。４は水冷基板支持台５に設けられたＳｉ基
板である。６は円電極を結ぶ中心線で、アークが直線の
場合は、その中心線と一致する。７は本発明方法による
場合の彎曲したアークで、８はその中心線である。

なお本発明方法において偏位とは、アーク中心と電極間
中心線がずれていることをいうもので、図に示すように
対向電極の先端の間の中央部において、前記のずれをＲ
アークの径をＡとした場合、ＲとＡとはＲ≧ｙ２Ａであ
ることが望ましい。

この図において示されるように、ガス導入管３より導入
された原料ガスを、その導入管端部を両極中心線に近づ
け、電極間中心線と直角方向に原料ガスを吹きつけると
ガスの電離度の差により、アークは図に７で示されるよ
うにガス吹出口と反対側に彎曲する。この彎曲部を基板
に接近させることによりダイヤモンド析出速度を増大さ
せることかできる。

本発明方法によるアークの放電電極は、Ｗ、　Ｗ−Ｔｈ
、　Ｗ−Ｍ、合金等、通常のアーク発生法において用い
られる公知のものが使用できる。

本発明方法においてアークを偏位させるために原料ガス
噴出はアーク発生帯域においてガスの流出速度は０．５
ｍ／ｓｅｃ以上、とくに０．２ｍ／ｓｅｃ〜１００ｍ／
ｓｅｃの範囲にあることが好ましい。また原料ガス流量
、原料ガス組成、析出用基体は従来の低圧気相法ダイヤ
モンド合成方法におけると同様である。

アークを変位させる方法としては前述のガス吹付法の外
に磁界をアークに印加して彎曲してもよい。

〈作　用） 直流放電アークを変位させることにより、アーク内での
エネルギー密度を低下させることができ、且つ析出基板
に近づけるため励起された化学種、メチルラジカル等の
カーボン含有ラジカルと原子状水素が、それらの活性を
失う前により多く析出基板に到達できること及びアーク
が基板に近くなったのて放電アークのエネルギーの一部
の熱エネルギーが基板に近づき、基板温度の上昇を早め
てダイヤモンドの高速成長や基板への広域析出か実現し
たものと考えられる。

く実　施　例） 内容積約２０リツトルの装置内に、２０ｍｍ角のＳｉ鏡
面研摩基板を水冷基板支持台にとりつけて水平に設置し
た。該８１基板の上方５１１１１に、電極間距離８ＩＩ
１１を保つようタングステン製陽極、トリウム入りタン
グステン製陰極をとりつけ、さらに電極上５１の位置の
、極間中心の真上に、下方向にむいているｌ／８インチ
ＳＵＳ製ダイヤモンド合成原料ガス導入ノズルをとりつ
けた。装置内をＡｒ＝４０ｃｃ／分、Ｈ２＝　１６００
ｃｃ　／分の混合気体に、エチルアルコール２ｖｏｆｌ
を添加したふん囲気とし、装置内圧力を２００Ｔｏｒｒ
とし、両電極間に印加して６０Ｖ　、　８Ａのアークを
形成させ、前記ノズルから組成が水素８０容量％、アル
ゴン２０容量％であるガスを２リットル／分の流量で導
入したところ、アークは彎曲して、アーク中央彎曲部下
部とＳｉ基板との距離は０．５　ｖａｎとなった。１時
間連続して反応させた。反応完了後基体析出物を観察し
た。析出物は基体全面を覆い、又析出物の表面はダイヤ
モンド自形を有する結晶性の高い膜状を呈していた。

又該膜の破断面を測定したところその膜厚は中心部で４
００ルｍであった。

又破断面は非常に緻密な脆性材特有のものであった。さ
らに表面のラマン分光を測定したところ１３３３ｃｍ−
’にダイヤモンド特有の鋭いピーク１本のみを認めた。

〈比　較　例） 原料ガス導入口を対向電極中心上５０１層に、基板とア
ーク間距離を６１に、電極間距離を１２１−とした以外
実施例と全く同様の装置条件により１時間反応を行った
。生成アークは直線的てあり、基体析出物はダイヤモン
ド自形は出ているが、結晶性はあまり高くなかった。ま
た析出せる膜は基体の中心部のみてあり、両端側には殆
んど析出していなかった。又膜厚は最厚部で１２終ｍで
あった。

又析出物表面のラマン分光は１３３３ｃ票−１付近にダ
イヤモンドピークと１５００ｃ＋ｓ−’付近に巾広な低
いｉ−カーボンに対応するピークを認めた。

〈発明の効果） アーク放電による気相法ダイヤモンド合成において、本
発明のようにアークを基体に変位させて、ダイヤモンド
析出用基体に接近させることにより、ダイヤモンド析出
速度、析出ダイヤモンド面積は増大し、かつ任意の大き
さの膜状ダイヤモンドの生成が可能となった。

【図面の簡単な説明】

図は本発明を実施するための装置の一例を示す。図にお
いて、ｌは陽極、２は陰極、３は原料ガス導入管、４は
３１基板、５は水冷基板支持台、７はアーク、Ｒは両極
中心線とアーク中心線との距離、Ａはアーク径を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向アーク放電によりダイヤモンド合成可能状態
   に励起し、基体上にダイヤモンドを析出させる気相法ダ
   イヤモンドの合成方法において、アークを基体側に変位
   させつゝダイヤモンドを析出させることを特徴とする気
   相法ダイヤモンドの合成法。
2. （２）ダイヤモンド合成原料ガスをアークの基体側とは
   反対側より基体方向に向けて流通させて、アークを基体
   側に偏位させることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   の気相法ダイヤモンドの合成法。