JPH03126696A - ダイヤモンドの合成方法 - 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、高周波熱プラズマによるダイヤモンドの合成
方法に関する。

〔従来の技術〕

気相法によって人工的に合成されるダイヤモンド膜は、
その優れた特性を利用して精密機械分野をはしめエレク
トロニクス、光学、医療といった広い分野での応用が注
目されている。

これまで気相法によりダイヤモン１ζを合成する方法と
して、高周波プラズマ法、直流プラズマ法、マイクロ波
プラズマ法、アークプラズマ法、プラズマジェット法な
どが知られている。

高周波熱プラズマ法に用いられる装置は、第３図に示す
ように周辺部に高周波型？ａ１と連結するワークコイル
２、上端部に反応ガス供給器とそれぞれ連結するバルブ
３．４．５を介してそれぞれ接続するノズル筒６を備え
る石英製のプラズマ発生室７と、その内部に基体８を載
置したホルダー９を設置するとともに系外の排気装置と
連結するチャンバー１０とから構成されている。

ノズル筒Ｇは実質的に３重管構造となっており、通常、
バルブ４に連結する中間筒にアルゴンのような希ガス、
バルブ３に連結する最外筒に水素ガスを導入して発生さ
せた高周波熱プラズマ中に、バルブ５に連結する中心筒
から垂直直下方向に希ガスで希釈した炭化水素ガスを導
入する方法が採られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来技術によるガス導入方式の
場合には、第３図に示したようにノズル筒６の下部に炭
化水素ガスの導入方向に逆らう作動ガスの渦流１１が発
生する関係で、反応原料となる炭化水素ガスに希ガスを
加えて流量を増し、前記渦流に抗するような高い速度で
プラズマ中に導入しなければならない。このため、渦流
が乱れてプラズマが不安定な状態になりやすい。また、
導入速度が急速すぎる場合には、炭化水素ガスがプラズ
マ中に均一拡散しないで基体面に到達する現象が起こる
ため、基体上におけるＣ／Ｈ比が導入する炭化水素ガス
量と水素ガス量だけでは一義的に決まらない事態が発生
する。したがって、操業条件の設定が困難となったり、
実質的に無意味となったりする問題点がある。　本発明
の目的は、このような従来技術の問題点を解消し、常に
安定したプラズマ状態で設定条件に沿ったＣ／Ｈ比を系
内で形成することができるダイヤモンドの合成方法を提
供するところにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するための本発明によるダイヤモンド
の合成法は、密閉区画されたプラズマ発生室内において
希ガスと水素とからなる作動ガスに高周波熱プラズマを
発生させ、これに炭化水素ガスを導入してＣＶＤにより
基体面にダイヤモンド膜を析出する方法において、予め
作動ガスに炭化水素ガスを混合させた状態で系内に導入
することを構成上の特徴とする。

プラズマ発生用の作動ガスには、アルゴン、ヘリウムな
どの希ガスおよび水素ガスが用いられる。

これら作動ガスは、別ルートを介してノズル筒から導入
され、導入後に流動混合する。

炭素源となる炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、
プロパン、ブタン、エチレン、ベンゼン等が用いられる
が、本発明はこの炭化水素ガスを導入前に予め作動ガス
に混合することが要件となる。

本発明の態様を図示すると第１図のようになる。

第１図のノズル筒６は二重管構造となっており、第３図
のような炭化水素ガスを導入するための中心筒はない。

炭化水素ガスはバルブ５．５′を介してバルブ３に連結
する水素ガス配管およびバルブ４に連結する希ガス配管
にそれぞれ接続していて、ノズル筒６からプラズマ発生
室７に導入する前にガス混合するようになっている。し
かし、作動ガスと炭化水素ガスの予備混合は第１図の態
様に限定されるものではなく、例えばガス供給装置内で
混合しておいても差支えない。

ダイヤモンド膜の合成にあたっては、まずバルブ３と４
を開にし、希ガスと水素ガスをノズル筒６から導入して
プラズマ発生室７内に混合ガスの流れを形成したのち、
ワークコイル２に高周波を印加してプラズマを発生させ
る。ついで、バルブ５および／または５′を開いて設定
量の炭化水素ガスを作動ガス（希ガスおよび／または水
素ガス）に混合した状態でノズル筒６からプラズマ発生
室７に導入される。この場合、炭化水素ガスの導入速度
は単独導入時のように高速化する必要はないから従来技
術のようなトラブルなしに安定したプラズマフレームと
設定条件どおりのＣ／Ｈ比が確保される。したがって、
プラズマ発生室７内の基体８面には良質のダイヤモンド
膜が効率的に析出する。

本発明の実施にあたっては、系内を減圧状態に保持する
と、膜生成の均一化が図れるほか、プラズマフレームが
伸長する。したがって、従来方法においてダイヤモンド
を析出させていたプラズマ発生室内に比べて遥かに空間
自由度のあるチャンバー内でダイヤモンドを析出させる
ことができるため大面積の析出が可能となる。

第２図は、前記のような減圧状態で実施する態様を図示
したもので、系内は生成チャンバー１０に接続した排気
装置１２を作動させて所定の減圧度合に保持する。とこ
ろが、プラズマ発生室７の内部が一定圧力（約２００Ｔ
ｏｒｒ）以下になると、プラズマ径が大きくなって構成
材質である石英管を破損する危険性が増す。この危険性
を防止するためには、プラズマ１．ｃ生家７とチャンバ
ー１０との間に絞り部１３を設置して生成チャンバー内
の圧力に係わりなくプラズマ発生室内の減圧度を常に２
００Ｔｏｒｒ以上に保持することが有効な手段となる。

〔作　用〕

本発明のダイヤモンド気相合成法によれば、プラズマ発
生室内に予め作動ガスと炭化水素ガスが均一に混合した
ガス状態で導入されるから、ノズル筒下部に発生するガ
ス渦流は炭化水素ガス導入の妨げにはならず、従来技術
のように炭化水素ガスの流速を殊更高める必要なしに円
滑にプラズマ中に送入することが可能となる。したがっ
て、常に安定なプラズマフレームが形成されるとともに
、基体面のＣ／Ｈ比が導入時の炭化水素ガスおよび水素
の量比そのままの比率を実現するので条件設定が極めて
容易になる。

このような一連の作用機構によって、高品位のダイヤモ
ンド膜を効率的に生成させることができさらに装置の系
内を減圧状態に保持すると、ダイヤモンド膜の均一化が
進み、またプラズマフレームの長さが伸びる等の好まし
い現象を形成することができる。すなわち系内の減圧保
持は、拡散係数の増大およびプラズマガス流速増に伴う
境界層厚さの減少により析出形態を拡散律則から表面律
則に転化させ、均一な膜生成をもたらすために機能する
。また、プラズマフレームの伸長は、チャンバー内での
析出を可能とするため大面積の析出を可能とし、フレー
ム内の温度勾配を緩やかにするから、基体位置の変動に
よる温度調整が容易になる。さらに、チャンバーに引き
出されるプラズマフレームの伸長度合は真空度に対応す
るため、圧力コントロールバルブ等で真空度を制御する
ことにより、基体の位置を一定にした状態で基体温度を
制御することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。

実施例１ 第１図に示した構造の装置を用い、３ターンコイルの２
ターン目付近にモリブデン基体８をセットした。バルブ
４に通ずる配管からアルゴンガスを流量４０１　／ｍｉ
ｎで導入し、バルブ３に連結する配管から流ｆｆ１６ｊ
！／ｍｉｎで水素ガスを導入するとともに、その側管か
らバルブ５′を介してメタンガスを流量０．４１！、／
ｍｉｎで導入した。メタンガスは管内で水素ガスと均一
に混合し、ノズル筒６からプラズマ発生室７に導入され
た。

系内をｌ気圧に保持し、電源周波数４ＭＨｚ、真空管人
力５５ＫＨの条件で高周波プラズマを発生させ、１０分
間生成反応をおこなって直径１５ｒｍの基体に約１８μ
ｍのダイヤモンド膜を析出させた。この際の基体温度は
、８５０°Ｃであった。

生成したダイヤモンドの結晶状態は第４図の電子顕微鏡
（ＳＥＭ）写真に示すように、自形の鮮明なダイヤモン
ド結晶であった。

比較例 第３図に示した構造の装置を用い、バルブ４のルートか
らアルゴンガス（流量：　４０１　／＋ｎｆ）　、バル
ブ３のルートから水素ガス（流量：６１／ｌｌ１ｉｎ）
、バルブ５のルートからメタンガス＋アルゴンガス（流
速：　０．４　ｊ２／＋ｎｉｎ＋　３　ｌ／ｍ１ｎ）を
それぞれ導入した他は実施例１と同一の条件で高周波プ
ラズマによるダイヤモンド膜を生成させた。この際の基
体温度は、８４０°Ｃであり、１０分間の生成反応後に
直径１５ｎ＋ｍの基体に約２０μｍのダイヤモンド膜を
得た。しかし、析出したダイヤモンド結晶の状態は、第
５図の電子顕微鏡（Ｓ’ＥＭ）写真に示されるように自
形の不明確な団子状を呈するものであった。

実施例２ プラズマ発生室７と生成チャンバー１０との間に絞部材
を介在して絞り部１３を介設した第２図構造の装置を用
い、排気装置１２を作動して系内を減圧し、プラズマ発
生室７を３００　Ｔｏｒｒ、チャンバー１０を２８０Ｔ
ｏｒｒの減圧状態に保持した。

この状態で実施例１に準して高周波プラズマを発生し、
モリブデン基体（温度＝８４０℃）上にダイヤモンド膜
を生成させた。ただし、基体は絞り部下方３０ｍｍの位
置にセットした。

この条件により１０分間で約１７μｍの均一で形状のよ
い結晶が得られた。

〔発明の効果〕

本発明に従えば、従来技術の高周波プラズマによるダイ
ヤモンド気相合成法に比較的簡単な条件変更を付与する
ことによって、高性状の均一なダイヤモンド膜を広い面
積に生成させることが可能となる。したがって、工業的
な製造手段として有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に適用される装置を例示した断面
略図、第２図は本発明の別の実施態様に適用される装置
を例示した断面略図、第３図は従来技術に用いられてい
る装置の断面略図である。・第４図は本発明の実施例で
生成されたダイヤモンド膜の結晶状態を示した電子顕微
鏡（ＳＥＭ）写真（拡大倍率；９５０倍）、第５図は比
較例で生成されたダイヤモンド膜の結晶状態を示した電
子顕１ 微鏡（ＳＥＭ）写真（拡大倍率：　２９４０倍）である
。 １・・・高周波電源　　　　２・・・ワークコイル３．
４．５．５′・・・バルブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、密閉区画されたチャンバー内において希ガスと水素
   とからなる作動ガスに高周波熱プラズマを発生させ、こ
   れに炭化水素ガスを導入してＣＶＤにより基体面にダイ
   ヤモンド膜を析出する方法において、予め作動ガスに炭
   化水素ガスを混合させた状態で系内に導入することを特
   徴とするダイヤモンドの合成方法。 ２、系内を減圧状態に保持する請求項１記載のダイヤモ
   ンドの合成方法。