JPH02160696A - ダイヤモンドの気相合成法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、有機化合物単独あるいは水素ガスとの混合ガ
スからなる原料ガス（以後単Ｃ二有機化合物を含有する
原料ガスと呼ぶ）を、非移行式直流アーク放電により活
性化して高温プラズマ炎を発生させて基板表面（＝ダイ
ヤモンドを析出する（＝際して、陰極としてグラフ１イ
ト電極を用いることＣ；よりダイヤモンド薄膜を基板表
面に大面積で析出させる気相合成法に関する。

［従来の技術］ 従来、低圧で気相からダイヤモンドを合成する方法とし
て種々の方法が開発されている。そのうち高速合成（二
対して最も有効な方法として非移行式直流アーク放電（
二より高温プラズマ炎を発生させる方法が挙げられる（
例えば特開昭６２−１５８１９５及び第３５回応用物理
学関係連合講演会予稿集、２９ａ−Ｔ−７）。

しかし、この方法（＝は次のような長所並び（二欠点が
ある。

即ち、非移行式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法（二よ
れば原料ガス組成及び放電電力条件の選定により、２０
０μｍ　／　ｈ　ｒという高速成膜速度が得られるとい
う長所があるが１反面、高温プラズマ炎は収縮する性質
があるから成膜面積が極めて狭くなるという欠点がある
。

特開昭６２−１５８１９５は、炭素供給原料として電極
用グラファイトを用いることを記載しているが、非移行
式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法Ｃ；おいてグラフ１
イトを電極とすること（二ついては記載していない。ま
して、グラフ１イトを電極とすることで成膜面積を著し
く拡大できることについては全く触れていない。

また、応用物理学関係連合講演予行集、２９ａ−Ｔ〜７
は電極については全く触れていない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、前記欠点を改善することを目的としており、
非移行式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法によるダイヤ
モンドの気相合成法において、同じ原料ガス組成及び放
電電力条件で比べたときダイヤモンド薄膜を基板表面に
大面積で析出させる方法を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、非移行式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法ｉ
二おいて、陰極としてグラフ１４ト電極を用いて化学輸
送法（二よるダイヤモンドの気相合成法の研究開発を進
めていたところ、グラファイト電極のアーク放電側端面
が化学蒸着の間にエツチングされて凹面形状となり、そ
の結果、アークが該陰極端面内を走り回りプラズマ炎が
非移行式直流アーク放電プラズマトーチからそれと対向
する基板方向を回転軸として回転運動するというトラブ
ルが発生したが、逆にこの現象を利用して生産性改良（
二結び付けたものである。即ち本発明は。

非移行式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法によるダイヤ
モンドの気相合成法（二際して、陰極としてグラフ１イ
ト電極を用いプラズマ炎を非移行式直流アーク放電プラ
ズマトーチからそれと対向する基板方向を回転軸として
回転させることにより。

ダイヤモンドを基板表面（二人面積３二析出させること
を特徴とするものである。

本発明Ｃ二おいては、従来の非移行式直流アーク放電プ
ラズマＣＶ’Ｄ法の技術をそのまま利用することができ
る。

本発明では、プラズマ発生用ガスとして、アルゴン、ヘ
リウム等の不活性ガス及び水素ガスからなる混合ガスが
用いられる。

有機化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、エチレン、ベンゼン等の炭化水素。

メチルアルコール、アセトン、ピリジン、メチルメルカ
プタン等の分子中（二酸素、窒、素あるいは硫黄を含む
有機化合物、また四塩化炭素等のハロゲン化炭素が挙げ
られる。

反応容器内圧力は＋　　１０−’　〜５　×１０２ａｔ
ｍ（７）範囲まで用いることができる。

非移行式直流アーク放電Ｃ二よって発生させるプラズマ
温度は、１４００℃以上であることが好ましい。

基板温度は、４００〜１７００℃に維持することが好ま
しい。

［作用］ 本発明は、非移行式直流アーク放電プラズマＣＶＤ法に
よるダイヤモンドの気相合成法（−おいて。

陰極としてグラファイト電極を用いると、アーク放電に
よる発熱（＝よってもグラフ１イトは溶融することなく
、化学蒸着の間にプラズマＣ二よりエツチングされ常Ｃ
二凹面形状を維持しながら消耗するので、アーク放電が
該陰極端面内を走り４回る現象を利用して、プラズマ炎
を非移行式直流アーク放電プラズマトーチからそれと対
向する基板方向な回転軸として回転させるように改良し
た発明であるから、従来の非移行式直流アーク放電プラ
ズマＣｖＤ法よりもダイヤモンドを基板表面（二人面積
で析出させることができる。

［実施例］ 以下に１本発明の実施例について説明する。

実施例１ 図面において２反応容器１の内部に外径が４ＩｎＩ１１
でアーク放電側端面が平面形状をしたグラファイト電極
２を陰極とし、外径が５鵬のノズル穴の定電流非移行式
直流アーク放電プラズマトーチ（大阪電気株式会社製）
４を設置し、それと向かい合わせて基板ホルダー５に予
め３０μｍのダイヤモンドディスクで研磨したＴｉＮ焼
結基板６を設置した。そして該基板６の裏面（＝接点が
接するように熱電対７を設置した。

反応容器１を０．ＩＴｏｒｒまでガス排出口８から排気
した後、基板加熱ヒーター１０により基板を８００℃（
二加熱した。そしてアルゴンガスをアルゴンガス入口９
から２０１！／ｍｉｎの割合で供給し。

グラファイト電極２と水冷銅トーチノズル３との間で６
ＯＡの定電流直流アーク放電を開始し高温プラズマ炎を
発生させた。

続いて水素ガスを水素ガス人口１１から１．５４’／　
ｒｎｌｎの割合で供給した。

そして水冷銅トーチノズル３の出口から５１！ｌ！ｌの
位置に設置した外径が０．５　ｔｍで長さが１２０ｍの
タングステン線を加工して作った外径が３ｍ＋＋のコイ
ル１２に交流電圧６ｖを印加して２１００℃とした。そ
してメタンガスをメタンガス入口１３から６０　ｍ／／
ｍｉｎの割合で供給し、前記コイ／Ｉ／１２で熱分解し
て活性化して前記高温プラズマ炎と共（二基板６媚二導
いた。そして基板ホルダー５４＝固定した基板６をプラ
ズマ炎中１６００℃の位置に押し込み９反応容器ｌの内
圧が２５０Ｔｏｒｒとなるよう（二排気量を調節しなが
ら１０分間化学蒸着を行りた。

この化学蒸着の間、プラズマ炎が１００回／ｍ　ｉ　ｎ
の割合で非移行式直流アーク放電プラズマトーチからこ
れと対向する基板方向を回転軸とじて回転した。

その結果として、化学蒸着を施した基板を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、半径１５ｍｍの面積（二渡り結
晶面を有する平均粒径６．０μｍの粒子が析出している
のが観察された。この析出粒子をレーザーラマン分光光
度計Ｃ二より分析したところ１３３３ｃｍ　　に鋭い吸
収ピークが観察され、ダイヤモンドであることが確認で
きた。

また、化学蒸着終了後、非移行式直流アーク放電プラズ
マトーチな分解してグラフ１イト電極形状を観察したと
ころ、アーク放電側端面はプラズマによりエツチングさ
れて凹面形状となっていた。

比較例１ この比較例では、実施例１（二おいてグラファイト電極
に代わり（二、アーク放電側端面を凸面形状としたトリ
ウム含有タングステン電極を用いたこと以外は、実施例
１と全く同様（ニして化学蒸着を行った。

この化学蒸着の間プラズマ炎は全く安定しており、非行
式直流アーク放電プラズマトーチからこれと対向する基
板方向を回転軸とする回転は見られなかった。

その結果として２化学蒸着を施した基板を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、半径５■の面積に結晶面を有す
る平均粒径４．５μｍのダイヤモンド粒子が析出してい
るのが観察された。

［発明の効果］ 以上説明したように２本発明によれば非移行式直流アー
ク放電プラズマＣＶＤ法媚二より高速で。

しかも同じ原料ガス組成及び放電電力で比較した場合従
来の技術よりも９倍以上の面積に渡り、結晶面を有する
ダイヤモンド粒子を析出させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は９本発明の実施例で用いられたダイヤモンドを合
成するための反応装置の概略構成図である。 ｌ・・・反応装置、２・・・グラフ１イト電極、３・・
・水冷銅トーチノズル、４・・・定電流非移１行式アー
ク放電プラズマトーチ、５・・・基板ホルダー　６・・
・基板。 ７・・・熱電対、８・・・ガス排出口、９・・・アルゴ
ンガス入口、１０・・・基板加熱ヒーター、１１・・・
水素ガス入口、１２・・・タングステン製コイル、１３
・・・メタンガス入口、１４・・・冷却水入口、１５・
・・冷却水出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機化合物を含有する原料ガスを非移行式直流アーク放
   電により活性化して高温プラズマ炎を発生させて、基板
   表面にダイヤモンドを析出させるダイヤモンドの気相合
   成法において、陰極としてグラファイト電極を用いるこ
   とを特徴とするダイヤモンドの気相合成法。