JPH01201480A - ダイヤモンド被覆水素脆性金属の製造方法 - 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、表面をダイヤモンド薄膜で被覆した水素脆性
金属及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドは、従来、高温高圧の熱力学的安定状態か
ら合成されていたが、最近では化学気相合成法により低
圧もしくは常圧で基材上に薄膜状のダイヤモンドが合成
されるようになった。

かかる化学気相合成法（所謂、ＯＶＤ法）では、炭化水
素と水素の混合ガスを使用し、例えば熱フィラメント（
特開昭５８−９１１００号公報）、マイクロ波無極放’
！（特開昭５８−１１０４９４号公報）、水素プラズマ
（特開昭５８−１３５１１７号公報）、マイクロ波プラ
ズマ（特開昭５９−３０３９８号公報）、紫外線照射（
特開昭６０−１１２６９７号公報）等により上記混合ガ
スを励起して、基板上にダイヤモンド薄膜を形成するも
のである。又、最近では、炭素源としてアルコール等を
用いたり、直流バイアスの印加により成膜速度を高める
方法（特開昭５９−３５０９２号公報）等も提案されて
いる。上記いずれの方法においても、結晶性のよいダイ
ヤモンド薄膜を形成する条件は、無定形遊離炭素などの
析出を防ぐため炭化水素を１０倍以上の水素で希釈した
混合ガスを用い、基板温度は７００〜１０００　ｔｌｌ
”とされている。

このように金属やセラミックスの表面に結晶性のよいダ
イヤモンド薄膜を形成することによって、耐摩耗性を向
上させたり、摩擦係数を下げたりすることが出来るので
、ダイヤモンド被覆材料は切削工具、メカニカルシール
、スピーカー用振動板、集積回路基板などの用途に利用
されている。

しかしながら、チタンやジルコニウム、又はその合金、
及びニッケルクロム鋼などの強靭鋼などには上記の方法
によりダイヤモンド薄膜を形成することは出来なかった
。チタンやジルコニウム、又はその合金は比強度が高く
、航空及び宇宙工学材料等として、又強靭鋼は構造用材
料や工具材料として一般に使用されている。ところが、
これらの金属は水素脆性金属と称され化学的に非常に活
性であるため、炭化水素と水素を原料とした還元性雰囲
気で行なわれる従来のＣＶＤ法では、炭素や水素と反応
して不安定で脆い炭化チタンのような炭化物や水素化チ
タン等の水素化物を形成するからである。

このため、水素脆性金属の表面にＣＶＤ法によりダイヤ
モンド薄膜を被覆しようとしても、炭化物や水素化物の
生成により水素脆性金属の特性や形状自体が損なわれ、
密着性のよいダイヤモンド薄膜が形成できなかった。又
、水素脆性金属の基材が厚さ５能以下の場合や、長時間
に亘り原料ガスのプラズマにさらされた場合等には、炭
化物や水素化物の生成が激しく、逐には基材自体が破損
に至ることもあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の如く、炭化水素と水素の混合ガスを用いる従来の
化学気相合成法では、水素脆性金属が炭化物や水素化物
を生成してしまうので、水素脆性金属を密着性のよいダ
イヤモンド薄膜で被覆することは不可能であった。

本発明はかかる従来の事情に鑑み、表面を密着性のよい
ダイヤモンド薄膜で被覆した水素脆性金属を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のダイヤモンド薄膜被
覆水素脆性金属の製造方法では、水素脆性金属の表面に
、チタンの炭化物及び窒化物、珪素並びに珪素の炭化物
、窒化物、硼素並びに硼素の炭化物、窒化物、及びアル
ミニウムの窒化物からなる群から選ばれた単層又は複数
層の中間層のうち少なくとも水素脆性金属と接する層を
物理気相合成法により形成し、次に前記中間層の上に化
学気相合成法によりダイヤモンド薄膜を形成することを
特徴とする。

従って、上記方法により得られる本発明のダイヤモンド
薄膜被覆脆性金属は、水素被覆金属と、水素脆性金属の
表面に密着性よく形成したチタン窒化物 の炭化物及び窒化物、珪素並びに珪素の炭化物−「イ硼
素並びに硼素の炭化物、窒化物、及びアルミニウムの窒
化物からなる群から選ばれた単層又は複数層の中間層と
、中間層の上に密着性よく形成したダイヤモンド薄膜と
からなる。

尚、本発明において水素脆性金属とは水素を吸収ないし
反応して脆くなる金属であり、代表的にはチタン及びジ
ルコニウム、若しくは５重ｐ％以上のチタン又はジルコ
ニウムを含有する合金、及びニッケル、クロム、モリブ
デンを各々５重量％以下含有する強靭鋼がある。

本発明方法において、中間層を形成する物理気相合成法
（所謂ＰＶＤ法）としては蒸着、スパッタリング、イオ
ンブレーティング等があり、ダイヤモンド薄膜を形成す
る化学気相合成法（ＣＶＤ法）としては熱フイラメント
法、マイクロ波プラズマｃｖｎ法、高周波プラズマＣＶ
Ｄ法、紫外線励起法、又はこれらを組合せた方法等、従
来公知の全てのＣＶＤ法を利用できる。尚、ＰＶＤ法及
びＣＶＤ法とも、通常の反応条件を用いる。

〔作用〕

本発明においては、水素脆性金属の表面に直接ダイヤモ
ンド薄膜を形成せず、水素脆性金属との密着性に優れた
中間層を介して形成するので、密着性のよいダイヤモン
ド薄膜が得られる。

中間層としては、水素脆性金属及びダイヤモンド薄膜の
両方との密着性に優れているチタンの炭化物及び窒化物
、珪素並びに珪素の窒化物、炭化物、硼素並びに硼素の
炭化物、窒化物、及びアルミニウムの窒化物が好ましく
、これらの物質からなる単層でも又は複数層でもよい。

特に、ダイヤモンド薄膜に接する中間層は、密着性の点
において炭化珪素、窒化珪素、若しくは珪素であること
が好ましい。

中間層の形成にＣＶＤ法を用いると、活性な炭素又は水
素を含む還元性雰囲気を使用することになるので、ダイ
ヤモンド薄膜を直接形成する場合と同様に炭化物や水素
化物の生成により水素脆性金属の特性や形状自体が損な
われ、密着性のよい中間層が得られない。そこで、本発
明方法では中間層の形成にＰＶＤ法を用いることによっ
て、水素脆性金属を損なうことなく、その表面に密着性
のよい中間層を形成できる。

このように水素脆性金属の表面に中間層を形成する結果
、その上に形成するダイヤモンド薄膜は通常のＣＶＤ法
によって形成でさる。即ち、上記した中間層はダイヤモ
ンド薄膜合成のための通常のＣＶＤ法で用いられる還元
性雰囲気において炭素又は水素と反応しないので、その
下層の水素脆性金属の脆化又は特性の低下、若しくは形
状の変化を起こすことなく、最上層として結晶性のよい
ダイヤモンド薄膜を密着性よく形成することができる。

〔実施例〕

下記第１表に示す形状の水素脆性金属をす６００のダイ
ヤモンドパウダーで表面仕上げしたものを基材として用
意した。

この基材の表面に、第１表に示す第１層の中間層をＰＶ
Ｄ法の一種であるマグネトロンスパッタリング法（ＰＶ
Ｄ−ＭＳ法と略記）又はイオンブレーティング法（ＰＶ
Ｄ−ＩＰ法と略記）を用い４て通常の条件で形成した。

このうち幾つかの試料には、第１表に示すように更に第
２層の中間層を上記ＰＶＤ−ＭＳ法、ＰｖＤ−工Ｐ法若
しくはＣＶＤ法を用いて通常の条件で形成した。

このようにして単層又は複数層の中間層を形成シタ基材
の表面をす６００のダイヤモンドパウダーで表面仕上げ
した後、第１表に示す（’ＶＤ法によすＣＨガスとＨガ
スを原料としてダイヤモンド被覆のための気相反応を施
した。用いたＯ’ＶＤ法は、第１図に示すマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法（μｍＰＣ！ＶＤ法と略記）、第２図に
示す高周波プラスＶ（１！ＶＤ法（ＲＦ−ＰＣＶＤ法と
略記）、第３図に示すＤＣプラズマ併用熱フィラメント
法（Ｆ−ＰＣ！ＶＤ法と略記）又は熱フィラメントａＶ
Ｄ法（Ｆ−ＣＶＤ法と略記）、及び第４図に示すＤＣプ
ラスＹＯＶＤ法、（ＤＣ−ＰＯＶＤ法と略記）のいずれ
かであり、第１表に記した以外の反応条件は最適な条件
を選択した。

上記の如く形成した試料屋１〜１５のダイヤモンド薄膜
はＸ線回折、ＲＨＥＫＤ　（高速電子線回折）及びラマ
ン分光分析のいずれによっても結晶性のダイヤモンドで
あることが確認できた。例えば、試料＆６で得られたラ
マンスペクトルを第５図に示すが、ダイヤモンドに特有
の１３３２．５　ｃＹｎ−”　（７）ラマン線が明瞭に
現われ、非常に結晶性のよいダイヤモンドであることが
判る。更に、試料＆１〜１０のダイヤモンド薄膜上にイ
オンブレーティング法によりＴｉ／Ａｕ　［極を作成し
、基材を他方の電極として、２電極間のＶ−１特性の測
定から求めた各ダイヤモンド薄膜の電気抵抗は１．０Ｘ
１０〜１．０Ｘ１０　　Ω・儂であった。又、試料屋１
〜１５のダイヤモンド薄膜のビッカース硬度（荷重５０
０ｇ）はいずれも１００００　ｋｇ／ｇｎＩ！以上であ
った。

上記本発明例として得られた試料屋１〜１５について、
基材及びダイヤモンド薄膜の状態を調べ、中間層及びダ
イヤモンド薄膜の形成法等と共に第１表に要約した。更
に比較例として、中間層を形成せず、基材表面上に直接
ダイヤモンド層を形成した試料（黒１６〜２３）につい
ても本発明例と同様の事項を第１表に合せて示した。

第１表から、本発明例のうち、ダイヤモンド薄膜に接す
る中間層がＳｉＣ，Ｓｉ　Ｎ　、又はＳｌである試料應
１〜１０．１２．１３では基材表面に非常に密着性の良
いダイヤモンド薄膜を形成できるが、ダイヤモンド薄膜
に接する中間層がＴｉＣである試料黒１１はや＼密着性
に劣ることが判る。一方、中間層のない比較例では、試
料Ａ１６．１７及び應２２．２３でダイヤモンド薄膜が
得られたが、基材表面に多債の水素が取り込まれ表面に
炭化物や水素化物が生成するため密着性が極めて低く、
！１８〜２１では基材の大部分が炭化物や水素化物に変
化しダイヤモンド薄膜は形成されなかった。

尚、本発明に係る中間層の材質のうち、第１表に例示し
なかった材質も、ダイヤモンド薄膜に接する中間層とし
てはや＼密着性に劣るものの、それ以外の中間層として
は有効であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水素脆性金属とダイヤモンド薄膜との
間にＰＶＤ法により形成した中間層を存在させるので、
通常のＣＶＤ法によっても炭化物や水素化物の生成がな
く且つ水素脆性金属の特性、形状を損なうことなく、結
晶性のよいダイヤモンド薄膜を密着性よく形成できる。

特に、水素脆性金属の厚さが５朋以下、例えば０．０４
”ｌｆｌ程度であ・１つでも、ダイヤモンド薄膜で被覆
することが可能である。

従って、本発明のダイヤモンド被覆水素脆性金属は、表
面のダイヤモンドの特性と内部の水素脆性金属の特性と
を兼ね備え、航空機材料、宇宙工学材料、原子カニ学材
料、切削工具材料、メカニカルシールのような耐摩耗特
性を要する材料、音響用スピーカーの振動板のような高
比弾性率を要する材料、集積回路基板のような低誘電率
、を要する材料などとして利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイクロ波プラズマＯＶＤ装置を示す概念図、
第２図はＲＩＦプラズマｃｖｎ装置の概念図、第３図は
ＤＣプラズマ併用可能な熱フイラメン）ＯＶＤ装置の概
念図、第４図はＤＣプラズマＯＶＤ装置の概念図であり
、第５図は実施例の試料屋６のダイヤモンド薄膜のラマ
ン分光スペクトルである。 １・・基材　　　　　　２・・石英管 ３・・真空排気口　　　４・・ガス導入口５・・マグネ
トロン　　６・・導波管 ７・・プランジャー　　８・・プラズマ９・・ＲＦ電極
　　　１０・・フィル １１・・支持台　　　　１２・・冷却水１３・・フィラ
メント　１４・・絶縁シール１５・・ＡＣｔ極　　　１
６・・ＤＣｔ極１７・・カソード 出願人　　住友電気工業株式会社 同　山本正、４．“ ４、□）・７．−２・ 第３図 第４図 第５図 ラマンシフト（ＣｒｒＬ−リ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素脆性金属と、水素脆性金属の表面に密着性よ
   く形成したチタンの炭化物及び窒化物、珪素並びに珪素
   の炭化物及び窒化物、硼素並びに硼素の炭化物、窒化物
   、及びアルミニウムの窒化物からなる群から選ばれた単
   層又は複数層の中間層と、中間層の上に密着性よく形成
   したダイヤモンド薄膜とからなることを特徴とするダイ
   ヤモンド被覆水素脆性金属。
2. （２）ダイヤモンド薄膜と接する中間層が、炭化珪素、
   窒化珪素、又は珪素であることを特徴とする請求項（１
   ）記載のダイヤモンド被覆水素脆性金属。
3. （３）水素脆性金属の表面に、チタンの炭化物及び窒化
   物、珪素並びに珪素の炭化物及び窒化物、硼素並びに硼
   素の炭化物、窒化物、及びアルミニウムの窒化物からな
   る群から選ばれた単層又は複数層の中間層のうち少なく
   とも水素脆性金属と接する層を物理気相合成法により形
   成し、次に前記中間層の上に化学気相合成法によりダイ
   ヤモンド薄膜を形成することを特徴とする、ダイヤモン
   ド被覆水素脆性金属の製造方法。