JPH01215795A - ダイヤモンドの製造方法およびプラズマ噴射装置 - 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］ 本発明はダイヤモンドの製造方法およびプラズマ噴射装
置に関する。さらに詳しく言えば、大きい面積のダイヤ
モンド析出膜を得ることができるダイヤモンドの製造方
法およびプラズマ噴射装置に関する。

［従来の技術および課題］ ダイヤモンドは強度が大きく、熱伝導率が大きいなどの
優れた物性を備えている。

また、近年、ダイヤモンドの製造技術は著しい発展を遂
げている。

これにより、ダイヤモンドは、たとえば各種保護膜とし
て、あるいは電子材料、光学用材料、化学工業材料など
に広く用いられている。

このようなダイヤモンドを製造する一つの方法として、
プラズマを発生させ、その気相中でダイヤモンドを析出
させるプラズマＣＶＤ法が知られている。

しかしながら、前記プラズマＣＶＤ法は、プラズマの発
生領域が狭く、ダイヤモンドの析出速度が数十（ＩＬｍ
／時）以下と遅いので、効率良くダイヤモンド析出膜を
得ることは事実上不可能であった。

そこで、より効率良くダイヤモンドを製造することがで
きるプラズマＣＶＤ法が検討されている。

前記プラズマＣＶＤ法においては、一酸化炭素と水素お
よび／または不活性ガスとからなる原料ガスを用いるこ
とにより、他の原料ガスを用いる場合と比較して、ダイ
ヤモンドの析出が速くなることが見出されている。しか
しながら、このプラズマＣＶＤ法は、プラズマが発生す
る気相中肉で、ダイヤモンドを析出するので、ダイヤモ
ンドの析出面積はおのずと制限される。

一方、）に化水素ガスを原料ガスに用いて、陰極と陽極
とにより形成される間隙で発生するアークにより形成し
たプラズマジェットを、ノズルから基板に噴きつけるこ
とによりダイヤモンドを析出するプラズマジェットＣＶ
Ｄ法か知られている。

しかしながら、このプラズマジェットＣＶＤ法は、単位
時間当りのダイヤモンドの析出量が少ないのて、ノズル
を基板に対して相対的に移動させながらプラズマジェッ
トなノ、（板に噴きつけるスキャン法（走査法）をおこ
なうにはその析出量では不充分であり、また、円筒上ノ
ズルか使用されているため噴出孔が小さく、得られるダ
イヤモンド析出膜の析出面積は数ｍｍｘ数ｍｍと小さい
ものである。

したがって、従来のプラズマＣＶＤ法やプラズマジェッ
トＣＶＤ法は、大きい面積のダイヤモンド析出膜を基板
に析出しようとする場合、容易に行なうことができず、
行なうにしてもコストが高くなり実用的なものではない
という問題点を有している。

本発明は前記実情に基いてなされたものである。

すなわち１本発明の目的は、単位時間当りのダイヤモン
ドの析出量を多くし、さらにダイヤモンド析出時の析出
面積を大きくして、大きい面積のダイヤモンド析出膜を
得ることができるダイヤモンドの製造方法およびプラズ
マ噴射装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ ｒＮｊ記ａ題を解決するための請求項１に記載の発明は
、ｖ１極および／または陽極とにより形成される間隙で
発生するアークにより形成した。一酸化炭素と水素およ
び／または不活性ガスとのプラズマジェットを、ノズル
から基板に噴きつけることを特徴とするダイヤモンドの
製造方法である。

請求項１の発明においては、ノズルを基板に対して相対
的に移動させながら、前記プラズマジェットを基板に噴
きつけるのが好ましい（請求項２）。

請求項１の発明においては、細長状スリットまたは環状
スリットの噴出孔を有してなるノズルを使用するのが好
ましい（請求項３）。

前記課題を解決するための請求項４に記載の発明は、ノ
ズルを有するプラズマ噴射装置において、ノズルが陰極
と陽極と噴出孔とを備えるとともに、前記噴出孔が同極
または異極の間隙により形成されるスリット状の開口部
からなることを特徴とするプラズマ噴射装置である。

請求項４に記載の発明においては、前記開口部が、細長
状スリットまたは環状スリットであるのが好ましい（請
求項５）。

本発明において先ずｆｆｉ要なことは、特定の原料ガス
を特定のプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンドを基板に
形成することである。

前記原料ガスとしては、一酸化炭素ガスと水素ガスおよ
び／または不活性ガスとを使用する。

前記一酸化炭素ガスは、ダイヤモンドの炭素源ガスとし
て使用することができる。

使用に供される一酸化炭素ガスとしては特に制限かなく
、たとえば石炭、コークスなどと空気または水蒸気とを
熱時反応させて得られる発生炉ガスや水性ガスを充分に
精製したもの、通常に市販されているボンベ入り一酸化
炭素ガス、あるいはメタノールを分解して得られる分解
ガスを用いることかてきる。

メタノールの分解ガスは水素ガスを含んでいるのて、こ
の分解ガスに水素ガスをさらに添加するだけでこの発明
における原料ガスを調整することができる場合もあり、
この分解ガスを使用すると、ボンベ入りの一酸化炭素ガ
スを使用する際の危険性を回避することができる。

前記水素ガスは一酸化炭素ガスと共に、あるいは一酸化
炭素ガスと不活性ガスと共に用いるものてあり、熱プラ
ズマによって原子状水素等を形成する。この原子状水素
等はダイヤモンドと同時に析出する黒鉛構造の炭素を除
去する作用と、析出したダイヤモンド結晶中の炭素原子
のｓ　ｐ　３構造を高温においても維持する作用とを有
するものと考えられる。

使用に供される水素ガスとしては、たとえば水の電解、
水性ガスの変性、鉄と水蒸気との反応、石油類のガス化
、天然ガスの変性、石炭のガス化などによって得られる
ものを充分に精製して用いることができる。

前記不活性ガスは、一酸化炭素ガスと共に、あるいは一
酸化炭素と水素ガスと共に用いられる。

そして、前記不活性ガスは前記一酸化炭素ガスのキャリ
ヤーガスとしての作用を有するとともに前記水素ガスと
混合して反応管壁面に流すことによりプラズマ発生用石
英管を保護する作用を有する。さらにプラズマガスとし
てプラズマを安定化させる作用をも有すると考えられる
。

使用に供される不活性ガスとしては、たとえばアルゴン
ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、キセノンガス、窒素
ガスなど、あるいは、これらの混合ガスが挙げられる。

これらの中でも、好ましいのは、アルゴンガス、ヘリウ
ムガス、ならびにアルゴンガスとヘリウムガスとの混合
ガスである。

前記原料ガスとして一酸化炭素ガス、水素ガスおよび不
活性ガスを用いる場合、前記水素ガスと前記不活性ガス
とがプラズマガスとして機能し。

前記水素ガスと一酸化炭素ガスとが反応ガスとして機能
しているものと考えられる。

本発明においては、前記原料ガスを使用することにより
、原料ガスとして炭化水素ガスを使用する場合に比較し
て、高濃度、高密度でダイヤモンドを合成することがで
きるので、単位時間当りのダイヤモンドの析出量が多い
、したがって、ノズルを基板に対して相対的に移動させ
ながらプラズマジェットを基板に噴きつけるスキャン法
（走査法）をおこなうことが可能になる。

本発明において特に採用されるプラズマＣＶＤ法とはプ
ラズマジェット法である。

プラズマジェットは、陰極と陽極との間で発生するアー
クにより、前記原料ガスをプラズマ状態にまで活性化し
、このプラズマをノズルからジェットとして噴出させる
ことにより形成される。そして、前記プラズマジェット
を基板に噴射することにより、基板の表面にダイヤモン
ドか形成される。

このようなプラズマジェットを形成するのに好適なプラ
ズマ噴出装置について説明する。

本発明におけるプラズマ噴射装置は、陰極と陽極と同極
または異極の間隙により形成されるスリット状の開口部
からなる噴出孔とを備えるノズルを有する。

第１図、第２図は本発明におけるプラズマ噴出装置に備
えられているノズルの構造の一例を示す射視一部断面図
である。

また、第３図、第４図、第５図、第６図は本発明におけ
るプラズマ噴出装置に備えられているノズルの噴出孔の
形状の一例を示す説明図である。

たとえば第１図に示すように、ノズルは、陰極ｌと陽極
２と噴出孔３とを備え、前記噴出孔３は陽極２の間隙に
より形成されるスリット状の開口部からなり、陽極２の
内側に前記開口部に臨む陰極ｌを備える構造を有する。

前記噴出孔３は、たとえば第３図、第４図に示すような
細長状スリットの開口部、または、たとえば第５図、第
６図に示すような環状スリットの開口部であるのが好ま
しい、これにより、ダイヤモンドの析出量が広がり、単
位時間当りのダイヤモンドの析出面積を大きくすること
ができる。

噴出孔３の長子方向幅１４（ノズル径）を、０．５〜２
００ｍ　ｍの範囲内に設定するのが好ましい、また、前
記陰極ｌと陽極２とからなる電極幅４を２０〜２００ｍ
ｍの範囲内に設定するのが好ましい。

なお、外側を陰極とし、内側を陽極とすることもできる
。

第２図に示すように、ノズルは、陰極ｌと陽極２と噴出
孔３とを備え、前記噴出孔３は陰極ｌと陽極２との間隙
により形成されるスリット状の開口部からなり、陰極ｌ
と陽極２とが相対向し、陰極１と陽極２とを絶縁し、か
つ保持する不導体部材５を備える構造のものでもよい。

前記陰極ｌと陽極２とからなる電極にアークを発生させ
るための放電Ｉｕ流を、１０〜３００Ａの範囲内に、放
電電圧を、３０〜ｔｏｏ　ｖの範囲内に設定するのか好
ましい。

前記プラズマジェットの形成に際して、前記アークに供
給する原料ガスである一酸化炭素ガス、水素ガスおよび
／または不活性ガスの流量を１次のように設定するのが
好ましい。

すなわち、一酸化炭素ガスの流量を０．１〜５０ｇ、／
分、水素ガスの流量を１〜５０見／分、不活性ガスの流
量を０〜５０文７分の範囲内に設定するのが好ましい。

前記のようにして形成されるプラズマジェットを基板に
噴射させることにより、基板の表面にダイヤモンドが形
成される。

本発明において、基板の素材については特に制限がなく
、基板の素材として、たとえば、シリコン、アルミニウ
ム、チタン、タングステン、モリブデン、コバルト、お
よびクロムなどの金属、これらの酸化物、窒化物および
炭化物、たとえば、ＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｔｉｌｌ
−Ｃｏ系合金、ＩＣ−ＴｉＣ−τａＣ−Ｃｏ系合金など
の超硬合金、　　ＡＲＪ＊−Ｆｅ系、ＴｉＣ−Ｎｉ系、
ＴｉＣ−Ｃｏ系、Ｂ、Ｃ−Ｆｅ系、　Ｔｉ１ｌ系、　　
ＴｉＣ−Ｔｉ１１系などのサーメットならびに各種セラ
ミックスからなるもののいずれをも使用することができ
る。

前記基板の厚み、形状１面積についても特に制限がなく
、基板として、任意の厚み、形状１面積のものを使用す
ることができる。

本発明においては、ダイヤモンドの析出時における基板
の表面温度を、７００〜１，２００℃の範囲内に設定す
るのが好ましい、これにより効率良く基板上にダイヤモ
ンドが析出する。

本発明においては、ノズルを基板に対して相対的に移動
させながら、前記プラズマジェットを基板に噴きつける
スキャン法をおこなうのが好ましい、スキャン法をおこ
なうことにより、大きい面積のダイヤモンド膜を効率良
く得ることがてきる。そのスキャン速度を、５ｍｍ／分
以下に設定するのが好ましい。

本発明においては、ノズルと基板との領域における圧力
を、　　１Ｔｏｒｒ〜常圧の範囲内に設定するのが好ま
しい、これによりプラズマジェットがプラズマ噴射装置
から基板上に噴出される。

本発明においては、ノズルの開口部先端と基板上との距
離を、２０ｍｍ以下に設定するのが好ましい、これによ
り効率良く基板上にダイヤモンドが析出する。

このようにして、単位時間当りのダイヤモンドの析出量
を多くし、さらにダイヤモンド析出時の析出面積を大き
くして、大きい面積のダイヤモンド膜を得ることができ
る。

本発明の製造方法およびプラズマ噴射装置により得るこ
とのできるダイヤモンドは、たとえば各種保ｗＩＩ８１
として、あるいは電子材料、光学用材料、化学工業材料
などに広く好適に利用することができる。

［実施例］ （実施例１） 第７図は本発明の実施例の一例を示すプラズマ噴射装置
の説明図である。

第７図に示すプラズマ噴射装置７はノズルｌＯを備える
。前記ノズルｌＯの噴出孔３は、細長状スリットの開口
部を有する。この噴出孔３の長手方向の巾は２００ｍ　
ｍであり、短手方向の巾は２ｍｍである。また、この陰
極ｌと陽極２とからなる電極の長手方向の巾は：１００
ｍ　ｍであり、短手方向の巾は：１０ｍｍである。

このノズル１０の形状により、ダイヤモンドの析出量か
広がり、単位時間当りのダイヤモンドの析出面積を大き
くすることができる。

基板８の表面温度を冷却水９で冷却しながら９００°Ｃ
に維持し、ノズル１０と基板８との領域における圧力を
５００Ｔｏｒｒとし、放電電流を３ＯＡとし、放電電圧
を３０Ｖとした。

陰極ｌと陽極２とにより形成される間隙に発生するアー
ク中に、原料ガス１１として一酸化炭素ガスを１１７分
、水素ガスを５立／分、アルゴンガスを１５ＩＬＺ分の
流量て通過させた。

そして、前記アーク中で形成されたところの一酸化炭素
と水素とアルゴンガスとが励起されたプラズマジェット
を、ノズルから基板に対して相対的に１ｍｍ／分の速さ
で移動させながら（スキャンさせながら）、１０分間噴
きつけた。

このようにして、基板上の３０ｍ　ｍ　Ｘ　５００ｍ　
ｍの面積の部分に平均３５ｇｍの厚みの膜状の析出物１
２を得た。また、この析出物１２の厚みの差は最大で平
均３５ＩＬｍのｌＯｘ以内であった。

堆積物１２をラマン分光法により定性分析したところ、
ダイヤモンドに起因するラマン散乱スペクトル１３３３
ｃｍ−’の付近にピークが見られ、不純物のないダイヤ
モンドであることか確認できた。

［発明の効果］ 請求項１に記載の発明によると、一酸化炭素と水素およ
び／または不活性ガスとを励起してなるプラズマジェッ
トを、ノズルから基板に噴きつけるので、単位時間当り
のダイヤモンドの析出量を多くすることがてき、ノズル
を基板に対して相対的に移動させながらプラズマジェッ
トを基板に噴きつけるスキャン法をおこなうことが可能
となる。

請求項２に記載の発明によると、ノズルを基板に対して
相対的に移動させながらプラズマジェットを基板に噴き
つけるスキャン法をおこなうことにより、大きい面積の
ダイヤモンド膜を効率良く得ることができる。

請求項３に記載の発明によると、ノズルが、細長状スリ
ットまたは環′にスリットの噴出孔を有しているので、
ダイヤモンドの析出量が広がり、単位時間当りのダイヤ
モンドの析出面積をさらに大きくすることがてきる。

請求項４に記載の発明によると、噴出孔を備えるノズル
を有するプラズマ噴射装置により、ノズルを基板に対し
て相対的に移動させながらプラズマジェットを基板に噴
きつけるスキャン法をおこなって、大きい面積のダイヤ
モンド膜を効率良く得ることができる。

請求項５に記載の発明によると、噴出孔の開口部が細長
状スリットまたは環状スリットであるノズルを有するプ
ラズマ噴射装置により、ダイヤモンドの析出量が広がり
、単位時間当りのダイヤモンドの析出面積を大きくする
ことかてきる。

このように、単位時間当りのダイヤモンドの析出量を多
くし、さらにダイヤモンド析出時の析出面積を大きくし
て、効率良く大きい面積のダイヤモンド膜を得ることが
できる。

したがって、大きい面積のダイヤモンド膜を得るための
コストを低めることができ、さらに従来コストが高いた
めにおこなえなかった分野においても大きい面積ダイヤ
モンド析出をおこなうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明におけるプラズマ噴出袋こに備えられ
ているノズルの構造の一例を示す斜視−部所面図である
。第２図は、本発明におけるプラズマ噴出装置に備えら
れているノズルの構造の一例を示す斜視一部所面図であ
る。第３図は、本発明におけるプラズマ噴出装置に備え
られているノズルの噴出孔の形状の一例を示す説明図、
第４図は１本発明におけるプラズマ噴出袋こに備えられ
ているノズルの噴出孔の形状の一例を示す説明図、第５
図は、本発明におけるプラズマ噴出装置に備えられてい
るノズルの噴出孔の形状の一例を示す説明図、第６図は
、本発明におけるプラズマ噴出装置に備えられているノ
ズルの噴出孔の形状の一例を示す説明図、第７図は本発
明の実施例の一例を示すプラズマ噴射装置の説明図であ
る。 ｌ・・・陰極、２・・・陽極、３・・・噴出孔、７・・
・プラズマ噴射装置、８・・・基板、ＩＯ・・・ノズル
、１３・・・プラズマジェット。 第１１１］ 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）陰極と陽極とにより形成される間隙で発生するア
   ークにより形成した、一酸化炭素と水素および／または
   不活性ガスとのプラズマジェットを、ノズルから基板に
   噴きつけることを特徴とするダイヤモンドの製造方法。
2. （２）前記ノズルを基板に対して相対的に移動させなが
   ら、前記プラズマジェットを基板に噴きつける前記請求
   項１に記載のダイヤモンドの製造方法。
3. （３）前記ノズルが、細長状スリットまたは環状スリッ
   トの噴出孔を有してなる前記請求項１または２に記載の
   ダイヤモンドの製造方法。
4. （４）ノズルを有するプラズマ噴射装置において、ノズ
   ルが陰極と陽極と噴出孔とを備えるとともに、前記噴出
   孔が同極または異極の間隙により形成されるスリット状
   の開口部からなることを特徴とするプラズマ噴射装置。
5. （５）前記開口部が、細長状スリットまたは環状スリッ
   トである前記請求項４に記載のプラズマ噴射装置。