JPH02307898A - ダイヤモンドの連続合成装置 - 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常圧における連続合成装置に関
するものである。

〔従来の技術］ 気相法によるダイヤモンド合成には、様々の方法が知ら
れている。例えばマイクロ波、高周波等により発生させ
たプラズマを用いたダイヤモンド膜の気相合成法が知ら
れているが、この方法には高速成膜、大面積化等で問題
があった。

これらの方法によってつくられるダイヤモンド成長表面
の雰囲気及び反応は木質的に同等であると思われ、この
様な考えから大気開放系での燃焼炎のプラズマに着目し
、燃焼炎によるダイヤモンドの合成を可能としたとの報
告もなされている。

大気開放系でダイヤモンドを合成する場合には通常のブ
ンゼンバーナーを用いて火炎を得ているが（第３５回応
用物理学関係連合講演会　講演予稿集　Ｐ２Ｓ５，１９
８８）、アセチレンのように火炎伝播速度が大きい場合
には、溶接用トーチの。

ようなアセチレン専用の装置が用いられる。また燃焼炎
が直接照射される基板は銅製の水冷箱に接触させて、基
板表面温度がダイヤモンドの生成され得る１２００″Ｃ
以下に保たれている。

この燃焼炎法は励起種の濃度が高いので、ダイヤモンド
の高速合成の実現が期待される。しかしながら以上のよ
うな方法によって得られる燃焼炎には、ダイヤモンドが
合成される内炎の外側に外炎があり、内炎で合成された
ダイヤモンドを、外炎をくぐらせて取り出すと燃焼して
しまうという本質的な問題があり、内炎の領域よりも広
い面積でのダイヤモンドの合成は不可能であった（１９
８９年度精密工学会春季大会講演論文集第３分冊Ｐ１０
０７）。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、燃焼炎を用いて常圧下においてダイヤモンド
を連続合成することのできる装置を提供することを目的
とするものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、予
混合火炎に大気中の酸素が拡散混入しない程度に閉鎖さ
れた空間を備え、前記空間にダイヤモンド形成用基板が
搬入、搬出される機構を存し、かつ前記基板が前記空間
から大気中に搬出される部分における基板表面を非酸化
性ガスで満たすことによって大気を遮断する気体シール
機構を有し、予混合ガス供給管および基板の冷却機構を
備えてなるダイヤモンドの連続合成装置である。

ダイヤモンドの常圧下での連続合成を実現する本発明の
装置を第１図に基づいて説明する。

第１図はダイヤモンド連続合成装置の概略図で（ａ）は
縦断面図、（ｂ）は平面図である。装置本体は金属板２
と水冷ジャケラ）９．９’からなる。金属板２の長袖方
向中心軸に沿って基板１の移動を可能とするための溝が
裏側に形成され、この溝の長さの半分の基Ｆｉ、１の出
口方向に相当する部分をさらに深くし、ダイヤモンドが
合成された基板表面が溝面に当たるのを防止している。

金属板２の中心に孔１１を開け、火炎照射口とした。こ
の孔１１の周囲からこの孔に向かって徐々に掘り下げ基
板１に当たった火炎ガスがすみやかに周囲に流れるよう
にした。基板１の出口に近い溝の中心線上に孔７を開け
、シール用気体供給口とした。空洞の箱からなる２個の
水冷ジャケラｌ−９，９’を金属板２の長辺に沿って取
り付けた。以上を装置本体と称する。

予混合火炎に大気中の酸素が拡散混入しない程度に閉鎖
された空間、すなわち非酸化雰囲気空間を得るためには
様々の方法を採ることができる。

第１図では円筒管３に、予混合ガス供給管用の孔１２と
排気のための孔６が開けであるＭ４を用いた例を示した
。円筒管３の内径は装置本体の金属板２の大きさに合わ
せて決めればよい。円筒管３の長さは、予混合ガス供給
用の溶接用吹管５を蓋４の孔１２から挿入したときに、
溶接用吹管５の火口と基板１との距離が、内炎が基板１
にとどく所定の長さになるように決めればよい。円筒管
３の材質としては、耐熱性があることと放射温度計によ
る基板温度の計測が可能であることに従って選定すれば
よい。例えば石英ガラスがこれに相当する。蓋４には溶
接用吹管挿入時に直かに火炎が゛　　当たるので、材質
は耐火性の材料、例えば煉瓦が望ましい。非酸化雰囲気
空間を得るためには以上の方法の他に、第２図に示すよ
うに、蓋２１をそのまま装置本体にのせ、火炎照射口の
周囲から孔１１に向かって徐々に掘り下げて形成された
窪みの僅かな空間を非酸化雰囲気空間として利用する事
もできる。

燃焼現象は非常に複雑で未だにどのような素反応を進行
しているのか不明である。従ってなぜ本発明のように外
炎を分離して内炎のみにした場合にもダイヤモンドが合
成できるのかは必ずしも明確ではないが、以下のように
考えられる。

燃焼炎の内炎部分は予混合で供給される酸素と燃料気体
との反応によるものであるが、外炎部分は燃料気体と空
気中から拡散してくる酸素との反応が進行している。理
論酸素量を下回る酸素比または空気比で燃焼している予
混合火炎の内炎部では、酸素が不足した還元性雰囲気に
なっており、炭素分子等が酸化されずに多く存在してい
るものと考えられる。一方外炎部では周りの空気から酸
素が拡散するので酸化性雰囲気になっており一酸化炭素
、二酸化炭素等の化学種が多く存在しているものと考え
られる。従って、燃焼雰囲気から酸素を無くすかあるい
は炎を不活性ガスなどでおおって空気を遮断すると、外
炎が消えて内炎のみになる。

本発明では連続合成のために基板ｌに内炎を照射しなが
ら基板１を移動させるので、外炎を内炎から分離するこ
とが必要である。外炎を内炎から分離するためには、予
混合火炎に大気中の酸素が拡散混入しない程度に閉鎖さ
れた非酸化雰囲気の空間に予混合火炎を吹き込んで、予
混合で供給される酸素以外に燃焼炎への酸素の供給を防
げば良い。予混合火炎が吹き込まれる以前にあらかしめ
存在していた合成空間中の酸素は、火炎を吹き込むと直
ちに無くなる。このようにしてできる非酸化雰囲気を定
常的に維持するためには、拡散炎を外部に出すための排
気孔および基板の搬入、搬出のための隙間等からの空気
の流入を防げばよい。

そのためには排気孔の総面積について注意が必要と思わ
れるが、実際には排気孔面積の許容範囲は広く、実施例
に述べるとおり直径１　ｃｖｎ程度の孔を数カ所設ける
ことで非酸化雰囲気空間は容易に維持できる。

予混合火炎の燃料気体としては、炭素原子を含み火炎温
度が２０００°Ｃ以上のものであればよい。

酸化気体が酸素である場合には燃料気体としてアセチレ
ン、エチレン、プロピレン１プロパン、ブタン、メチル
アセチレン、ＬＰガス、都市ガス。

天然ガス、水素やこれらの混合ガスが使用できる。

中でも火炎温度が最も高くなるアセチレンが望ましい。

水素は内炎の長さと総ガス流量とを変化させずに炭化水
素ガスの流量を減らしたいときなどの、火炎調整用とし
て有用である。

燃料の完全燃焼に必要な酸素または空気の割合は理論酸
素比あるいは理論空気比と呼ばれるが、本発明において
予混合時に混ぜる酸素または空気の割合は下限が可燃下
限界以上で上限が理論酸素比あるいは理論空気比未満の
燃料過剰の範囲で、火炎温度が約２０００°Ｃ以上にな
る範囲であればよい。以上の範囲の中で、酸素あるいは
空気の割合が低くなるとダイヤモンドの生成速度は速く
なるものの結晶化度が低下する。酸素あるいは空気の割
合が高くなるとダイヤモンド結晶の質は良くなるが生成
速度は低下する。

燃焼炎内の励起された炭素は基板に触れると急冷されて
ダイヤモンド構造に固定される。こうしてダイヤモンド
の成長が進行するので、ダイヤモンド成長基板表面が１
２００°Ｃ以下に保たれるように、基板は冷却されるこ
とが必要である。基板の冷却方法は基板の熱伝導率と火
炎の発熱量とに依存する。基板の熱伝導率が高い場合に
は装置本体を水冷しておくと、基板を装置に接触させる
ことによって充分に熱が奪われ、基板を所定の温度に保
つことが出来る。基板材料がタングステン。

炭化タングステン、モリブデン、炭化チタン、窒化チタ
ン等の場合が以上に相当する。火炎の発熱量が増加した
場合あるいは基板材料がアルミナ。

ジルコニア、石英、鉄等の熱伝導率が低い材料の場合に
は、装置本体の水冷に加えて基板を直接水冷することが
有効である。この場合基板に火炎が照射される場所と冷
却水が接触する場所との距離、及び水量を調節すること
によって基板を所定の温度に保つことができる。

基板は火炎照射時の基板表面温度よりも高い融点をもつ
ものであればどんな材料でも使用できる。

なかでも、経験的にダイヤモンドを合成し易いと知られ
ているタングステン、炭化タングステン。

モリブデン５窒化チタン、アルミナ等の材料を使用する
ことが望ましい。基板形状は、非酸化雰囲気空間に搬入
、搬出できるものであればどんな形状でもよく、これは
装置の構造に従って適宜選定すればよい。

基板を移動する方法としては、ヘルドに載せて移動する
方法、基板をローラーにはさんで送る方法、基板を押す
方法、基板を引っ張る方法等があり、基板両端を固定し
て装置本体を移動させる方法もある。以上で述べた方法
は適宜装置の構成に応じて選択すれば良い。

以上のようにして、表面にダイヤモンドが形成された基
板は、表面のダイヤモンドが接触したり擦り取られたり
しない程度の隙間を通して装置外の大気中に取り出され
る。この際大気と非酸化雰囲気空間内の未燃焼気体とが
反応してできる火炎が、基板表面を這って表面のダイヤ
モンドを燃焼させてしまう。これを防ぐために、基板が
通過する隙間を窒素、アルゴン、ヘリウム等の非酸化性
ガスで満たしてシールすることが必要である。そのため
に基板搬出口から非酸化性ガスを吹き込む方法や、非酸
化性雰囲気空間と基板搬出口とを仕切る壁から基板表面
に非酸化性ガスを吹き付ける方法などの気体シール機構
を採用することができる。実施例では後者の方法を採用
した。この様にすると未燃焼気体が基板表面で大気中の
酸素と化合して燃焼するということがなくなり、基板表
面に合成されたダイヤモンドを損なうことなく回収でき
る。

〔実施例］ 実施例１ 第１図に示す装置でダイヤモンドの合成を行なっな。装
置本体は、金属板２としてステンレス鋼板を用い、２個
の水冷ジャケラｌ−９，９’を備える。

ステンレス鋼板は幅１４ｃｍ、長さ２０ｃｍ、厚み１０
であり、長軸方向中心軸に沿って幅３１．深さ０．６ｃ
ｍの基板移動用溝を裏側から掘り、さらにこの溝の長さ
半分の基板出口方向に相当する部分を幅２ｃｍ、深さ０
．ＩＣ１１掘り下げ、ダイヤモンドが合成された基板表
面が溝面に当たることを防止するようにした。金属板２
の中心に、幅２ｃｍ、長さ３ｃｍの孔１１を設け、火炎
照射口とした。この孔の周囲５　ａｍからこの孔に向か
って徐々に掘り下げ、基板１に当たった火炎ガスがすみ
やかに周囲に流れるようにした。基板出口に近い溝の中
心線上に孔７を開け、シール用気体供給口とした。幅５
ｃｍ。

長さ２０ｃｍ、厚み１　ｃｍの空洞の箱からなる２個の
ステンレス鋼製の水冷ジャケラ）９．９’をこの板の長
辺に沿って取り付は装置本体とした。

火炎照射口１１を中心として内径１０ｃｍ、長さ６ｃｍ
の円筒管（石英管）３を立てて、直径１１ｃｍ。

厚み１　ａｍの蓋（煉瓦板）４に直径１．５　ｃｍの孔
を第１図のように５箇所に開けたものを、この石英管に
かぶせて非酸化雰囲気空間を形成するようにした。

基牟反１には３０ｃｍＸ３ｃｍＸ０．３５ｃｍの炭化タ
ングステン板を用い、表面を研削仕上げした後に１０μ
■ダイヤモンド粉で表面に微細な傷をつける処理を行な
った。

装置本体の２つの水冷ジャケラ）９．９’に、合わせて
５ｆ／ｗｉｎの水を流し装置本体を冷却した。

ガス溶接器５（日中製作所製中型溶接器１６３Ｍ、火口
１５０番）にアセチレンガス２．０１　／ｗｉｎ。

酸素ガス１．４１　／ｍｉｎの、Ｏｚ／ＣｚＨｚ比が０
．７の予混合ガスを供給して内炎の長さを３　ｃｍに設
定した後、ガス溶接器５の火口を蓋４の孔１２から石英
管３内へ挿入する。石英管内に残存していた酸素がなく
なると、外炎が消滅する。この内炎のみからなる火炎を
基板１と火口との距離を２ｃｍに保って照射した。Ｍ４
の排気孔６と基板出口側の溝の隙間８とから吹き出す気
体は内炎の熱で自然に発火して拡散炎を形成する。アル
ゴンガスをシール用気体供給孔７から２ｆ／ｗｉｎ流す
と基板出口側の溝の隙間８から吹き出す拡散炎は消滅し
た。この時火炎照射部分の基板表面温度は、石英管越し
の放射温度計による計測で１０００’Ｃとなり、特に冷
却する必要はなかった。

以上のようにして火炎を基板に照射しながら、モーター
駆動車１０で３ｍｍ／ｍｉｎの速度で基板を引っ張り移
動させた。１時間後にガス溶接器５の火口を抜いて合成
を終了した結果、基板ｌ上に幅１ｃｍ、長さ約２０ｃ′
Ｉ］Ｉに亘って灰色の変色帯が形成された。この部分を
走査電子顕微鏡で観察したところ（１１１）面と（１０
０）面とにおおわれた直径約１０−のダイヤモンドが稠
密に存在していた。

ラマンスペクトルを取ったところ１３３２ｃｍ−’に鋭
いピークが現れ、ダイヤモンドであることが確認できた
。

実施例２ 第２図に示す装置でダイヤモンドの合成を行なった。装
置本体は、実施例１と同じものを用いた。

火炎照射口１１に、直径１１ｃｍ、厚み１　ｃｍの煉瓦
板に直径１．５０の孔を５箇所に開けた蓋２１を第２図
のように載せて非酸化雰囲気空間を形成させるようにし
た。

基板１には３０ｃｍＸ３ｃｍＸ０．３印のアルミナ板を
用い、表面を研削仕上げした後に実施例１と同様に、１
０μｍダイヤモンド粉で傷をつける処理を行なった。装
置本体の２つの水冷ジャケットに、合わせて５β／　ｍ
　ｉ　ｎの水を流した。

ガス切断器２２（田中製作所製小型切断器１１１に、火
口１番）にアセチレンガス３．６４２　／ｍｉｎ　。

酸素ガス２．２４２　／ｍｉｎの、ｏｘ／ｃｚｎｚ比が
０．６の予混合ガスを供給して内炎の長さを６ｃｍに設
定した後、基板１とガス切断器２２の火口との距離を３
ｃｍに保って、蓋２１の孔２５から基板１へ火炎を照射
した。蓋２１と基板１との間に残存していた酸素がなく
なると、外炎が消滅する。蓋２１の孔２４および基板出
口側の溝の隙間２６から吹き出す気体は内炎の熱で自然
に発火して拡散炎を形成する。窒素をシール用気体供給
孔７から２１７ｍ１ｎ流すと、基板出口側の溝の隙間２
６から吹き出す拡散炎は消滅した。火炎照射位置からそ
れぞれ１、５　ｃｍ離れた基板１の裏側の２箇所に水道
管２３．２３′を用いて冷却水を１．３１／ｍｉｎずつ
吹き付けた。この時火炎照射部分の基板表面温度は、放
射温度計による計測で９５０°Ｃとなった。

以上のようにして火炎を基板に照射しながら、モーター
駆動車で２ｍｍ／ｍｉｎの速度で基板１を引っ張り移動
させた。１時間半後合成を終了した結果、基板上に幅２
ｃｍ長さ約２０ｃｍに亘って灰色の変色帯が形成された
。この部分を走査電子顕微鏡で観察したところ（１１１
）面と（１００）面とにおおわれた直径約１Ｏｎのダイ
ヤモンドが稠密に存在していた。ラマンスペクトルを取
ったところ１３３２ｃｕ＋−’に鋭いピークが現れ、ダ
イヤモンドであることが確認できた。

〔発明の効果〕

本発明によりダイヤモンド粒子及びダイヤモンド多結晶
板を常圧下において連続的に合成することができ、従っ
て従来よりも安価に生産できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１で用いたダイヤモンド連続合
成装置の概略図、第２図は本発明の実施例２で用いたダ
イヤモンド連続合成装置の概略図である。 １：基板、２：金属板、３：円筒管、４：蓋、５：ガス
溶接器、６：排気孔、７：シール用気体供給孔、８：基
板出口側の溝の隙間、９．９’：水冷ジャケット、１０
：モーター駆動車、１１：火炎照射口、１２：予混合ガ
ス供給用孔、２１：蓋、２２：ガス切断器、２３．２３
’：水道管、２４：排気孔、２５：予混合ガス供給用孔
、２６：基板出口側の溝の隙間。 第２図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　予混合火炎に大気中の酸素が拡散混入しない程度に閉
   鎖された空間を備え、前記空間にダイヤモンド形成用基
   板が搬入，搬出される機構を有し、かつ前記基板が前記
   空間から大気中に搬出される部分における基板表面を非
   酸化性ガスで満たすことによって大気を遮断する気体シ
   ール機構を有し、予混合ガス供給管および基板の冷却機
   構を備えてなるダイヤモンドの連続合成装置。