JPH02221194A - 気相法透明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） 本発明は光学用、各種精密部材用あるいは研削、研磨用
として有用なダイヤモンドの低圧気相法透明ダイヤモン
ドの合成法に関し、特にアーク放電によるダイヤモンド
合成状態へのプラズマのコントロール手段に関する。

〔従来の技術〕

低圧気相ダイヤモンドの合成法は、炭化水素または酸素
、窒素等を含む有機化合物と水素とを混合し、熱フィラ
メント、マイクロ波プラズマ、高周波プラズマ、直流ア
ーク放電等により励起して基材のとにダイヤモンドを析
出する方法である。

このうちアーク放電によるものはアーク放電は高温てあ
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か必要とされていた。この場合ダイ
ヤモンドの析出はアークの中央直下及びその付近に限ら
れ、しかもダイヤモンドの析出コントロール、析出ダイ
ヤモンドの形態１組織、結晶性のコントロールか非常に
困難とされていた。

またアーク放電法とは別にＤＣプラズマ法、ＤＣクロー
放電法かある。ＤＣプラズマ法は！離発生した電子イオ
ンか子種近傍で陽光柱と呼ばれるプラズマ励起空間を形
成するものでダイヤモンドの合成圧力は数〜１ＯＴｏｒ
ｒ程度てありダイヤモンドの成長速度は数１０〜１００
　ｋｒａ　／ｈｒ程度てある、またＤＣグロー放電法は
平行モ板形電極間で放電を行なわせるのが一般的で反応
圧力は数／１０〜数Ｔｏｒｒで生成物は水素を含んだ硬
質ガーボン膜からＤＬＣと呼ばれるものでその成長速度
は数／１０〜数ルー程度である。

これに対してアーク放電法は対向する電極の間に主張か
発生し、これかダイヤモンドの発生の励起源となる０反
応圧力も５０〜７６０　Ｔｏｒｒでありダイヤモンドの
結晶速度も数１０〜数１００４ｓ程度と速い （発明か解決しようとする課題） 上述のいずれのダイヤモンド合成法も高品位て透明なダ
イヤモンドを得ることか困難てあり、黒色又は灰色のダ
イヤモンド得るのみであった。

又、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
ことが必要であるか、この目的のために基板とアーク間
の距離の短縮を行うと析出ダイヤモンドの結晶にエツチ
ングか生しがっ黒鉛相か混入する。従って上述の様な現
象を生しないのでダイヤモンド速度の高速化および析出
面積の増大化をはかり、なお且つ析出ダイヤモンドの形
態結晶性、すなわち高品位で透明な自形の発達したダイ
ヤモンド粒および膜状物の開発が実用面から強く要求さ
れている。

〔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、本件発明者
らはアーク放電の高温、高密度エネルギーの制御方法に
ついて種々研究の結果、プラズマ空間にタングステン等
の高融点炭化物を形成する金属の蒸気を導入して、この
金属のプラズマ化に伴なうイオン化密度の増加とプラズ
マ空間の広がりにより原料のラジカル化か促進されるこ
とを見出し、先に出願した（特願昭６：ｌ−２２５０８
４号）。

しかし問題は金属の蒸気のプラズマ内への定量的導入は
実際上、金属電極の溶融か起ったりして調節は困難であ
る。本発明者らはこの問題を解決すべく、さらに研究を
進めた結果、水、酸素、−酸化炭素、二酸化炭素を原料
に添加することにより、プラズマエネルギーをコントロ
ールして基体上に高品位の透明自形ダイヤモンドか効果
的に合成されることを発見し、本件発明を完成するに至
った。

すなわち、本件発明の要旨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、基体りにダイヤモンド
を析出させる気相法ダイヤモンドの合成方法において、
陰極が金属電極である対向する電極間にアーク放電柱を
生ぜしめ、該アーク放電柱内へ導入する原料ガスに水、
酸素、−二酸化炭素は二酸化炭素を添加することにより
透明ダイヤモンドを析出させることを特徴とする気相法
透明ダイヤモンドの合成法にある。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明に用いられる原料ガスは炭化水素ガスや酸素、窒
素等を含む有機化合物等、気相法ダイヤモンドの合成に
用いられるすべての公知の原料ガスが用いられる。又、
ダイヤモンドの合成原料をアークに対して直交させ、ア
ークに平行におかれた基体の反対側より基体方向に吹き
付けることか望ましい。この場合、雰囲気ガスの水素濃
度は１０〜８０体積％か好ましく、より好ましくは４０
〜６０体積％である。例えば水素４０体績％とはＡｒ、
　Ｈ２雰囲気で８２／　（＋１２　＋　Ａｒ）　＝　４
０／　１００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
通して、陰極から大量の電子の流れを生じ、これか気体
分子イオンと衝突しプラズマ化し、アークか持続する。

この場合ダイヤモンド生成ｉ＋（能なプラズマエネルギ
ー領域はキャリアガス組成と原料からなる気体分子のイ
オン化に大きく依存する。

さらにこのプラズマ中に高融点炭化物を形成する金属蒸
気を導入することにより、一定の金属原子のイオン化に
よりプラズマ内の電流密度の増加かはかられ炭素原子の
化合物である各種原料の解離、ラジカル化か促進される
。ただ実際上は電極特に陰極電極は消耗か激しいので電
極材料は金属電極か好ましい。このうち金属電極はＷ−
Ｔｈか最も好ましい。ただ陽極については通常のアーク
法に用いる電極材料で差し支えない。

さらに本件発明はこれに加えて原料ガスに水酸素、−酸
化炭素、または二酸化炭素を添加することによりプラズ
マエネルギーをさらにコントロールする。これら添加物
の量は水の場合０．１〜２体積％、酸素の場合０．０５
〜１．４体積％、−酸化炭素の場合０，１〜１０体積％
、二酸化炭素の場合０．０５〜５体積％が好ましい。

本発明において、原料ガスの噴出はアーク発生帯域にお
いてガスの流出速度は０．Ｏ１〜６００ｍ／ＳｅＣか好
ましく、より好ましくは０．２〜１００　ｍ／ｓｅｃで
ある。又、混合ガスはアルゴンの代りにＨｅ、　Ｎｅ、
にｒ、　Ｘｅと水素との混合ガスも使用可能である。

ダイヤモンド合成用炭素源としては前記したようにメタ
ン、エタン、プロパン等の飽和炭化水素、エチレン、プ
ロと、レン、ブチレン、アセチレン等の不飽和炭化水素
、ベンゼン等の芳香族炭化水素、アルコール類、アセト
ン等のケトン基を含む化合物、その他Ｃ，Ｈ，Ｏ化合物
、含窒素化合物、およびこれらの複数混合物を用いるこ
とか可能である。

本発明方法においては直流放電アーク内にタングステン
等の金属蒸気の導入によりプラズマ内のイオン化電流を
高めることができ、且つ析出基板に励起された化学種、
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、より多く基板に到達でき、
また水、酸素、−酸化炭素、または二酸化炭素が基板上
に析出するｉ−カーボンやグラファイト等を除去するこ
とにより高品位で透明な自形の発達したダイヤモンドの
高速成長と広域成長が実現したものと考えられる。

〔実施例および比較例） 内容積約５リツトルの装置内に１０ｍ＠角のＳｉ鏡面研
磨基板を水冷基板支持台にとり付けて水平に設置した。

該Ｓｉ基板上方３■謬に電極間５ｍ重を保つように第１
表記載の材質の電極をとり付けて、さらに基板上１０ｍ
ｍの位置に極間中心の真上に下方向を向いている　１７
１６インチＳＯ３製ダイヤモンド合成原料ノズルをとり
付けた。

装置内をＡｒ＝７００　ｃｃ／分、１２＝　５００　ｃ
ｃ／分の混合気体に第１表記載の原料ガスを２体積％に
なるように添加した。装置内圧力を２００Ｔｏｒｒとし
通電する前に電極間を２ｍｍに近ずけその後、電極間距
離を徐々に広げ極間電力を３５Ｖ、ＩＳＡに印加し、ア
ークを形成させた。又、原料ガスの他に種々のガス添加
物を第１表記載の割合で添加した。

このようにして前記ノズルから組成か■２４２体積％、
Ａｒ５８体積％であるガスを１．２リットル／分の流速
で導入した。

１５分間連続して反応させ基体析出物を観察した結果を
第１表に示す。

（以下余白） （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
発明方法による原料ガスに水、酸素。

酸化炭素、二酸化炭素を添加してプラズマエネルギーを
コントロールすることにより粒状の透明な自形ダイヤモ
ンドを高速て広範囲に生成することかてきる。

Claims (1)

【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、陰極が金属電極である対
   向する電極間にアーク放電柱を生ぜしめ、該アーク放電
   柱内へ導入する原料ガスに水、酸素、一酸化炭素又は二
   酸化炭素を添加することにより透明ダイヤモンドを析出
   させることを特徴とする気相法透明ダイヤモンドの合成
   法。