JPH0380932A - 被履された支持体およびその製法 - 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） 本発明は被膜された支持体、および支持体の被膜法に関
する。より詳細には本発明は温度を高めることなく支持
体に被膜を付着させることに関する９本発明方法は金な
どの平滑な薄膜状材料をダイヤモンド上に形成するため
に特に有用である。

（従来の技術） 従来、化学的に不活性な物質に薄膜状の材料を付着させ
ることは困難であった。ある種の材料、たとえば金をこ
の種の支持体に付着させるのは特に困難であることが認
められており、常法ではこの付着を室温で行うことはで
きない。

実質的に不活性な支持体と金などの皮膜の結合はこれま
で炭化物形成性耐熱金属、たとえばチタン、タンタルま
たはタングステンの薄層を支持体と金の間に挿入するこ
とにより行われていた。この周知の方法は、耐熱金属を
結合させるために支持体を摂氏数百度に加熱する必要が
ある。この既知の方法の他の欠点は、耐熱金属が金より
高い電気抵抗およびより低い熱伝導電率をもち、従って
耐熱金属を用いて製造された被膜支持体は良好な結合性
をもつが耐熱金属を含まない被膜支持体より一般的に劣
る点である。

支持体に皮膜を付着させるために耐熱金属を用いると、
商業的に有用であるために十分な付着特性をもたない皮
膜がしばしば得られる。さらに、得られた皮膜は不均質
な皮膜外表をもち、これは電子顕微鏡下で見ると、モザ
イク組織の特色を示す、この組織は平滑な皮膜を特徴と
する特定の商業的用途、たとえばレーザー技術において
は不利である。さらに、モザイク結合組織は被覆支持体
一般について比較的低い結合強さの原因となる可能性が
ある。皮膜の結合特性が低いことは、たとえばその皮膜
を周知の“スコッチテープ粘着試験”により除去するこ
とによって認められる。

当技術分野で既知のイオンビームミキシングはある種の
皮膜材料を支持体に結合させる。しかしこの方法は、特
に不活性な皮膜形成性材料たとえば金を用いる場合、ダ
イヤモンドその他の化学的に不活性な物質を被覆するの
には用いられない。

従って一般に不活性な支持体に皮膜を付着させるための
当技術分野で既知の方法は、しばしば加熱を要し、かつ
皮膜と支持体の結合が比較的弱いという点で不利である
。さらに、皮膜層の一部として耐熱金属を含む（目的皮
膜と支持体の間に〉被膜は、支持体上に直接付着した、
耐熱金属を含まない単層被膜より高い電気抵抗およびよ
り低い熱伝導率をもつ可能性がある。

（発明が解決すべき課題） 本発明の目的は、支持体とそれに付着した皮膜との間に
強固な結合を得ることである。

本発明の他の目的は、支持体を室温で皮膜により被覆す
ることである。

本発明の他の目的は、平滑な皮膜層を支持体に付着させ
ることである。

本発明のさらに他の目的は、支持体上に皮膜を直接に、
たとえば皮膜と支、特休の間に耐熱金属を付着させるこ
となく付着させることで５ある。

本発明の池の目的は、支持体上に強固に結合した耐熱金
属皮膜を付着させることである。

さらに他の本発明の目的は、比較的低い電気抵抗および
高い熱伝導率をもつ被覆支持体を形成することである。

（課題を解決するための手段） 要約すると本発明方法は支持体に結合した皮膜を形成す
るための方法において （ａ）支持体の表面を不活性ガスイオン流と接触させ、
これらのイオンは支持体の表面特性を実質的に変化させ
るのに十分な力およびエネルギーを備えており、そして （ｂ）皮膜形成性材料を、この皮膜形成性材料の原子の
気化および／またはイオン化に十分なエネルギーをもつ
不活性ガスイオン流にＩｋ露して、気化した原子を支持
体に結合した皮膜の形成に十分な力で支持体表面へ伝達
する ことよりなる方法である。

本発明により形成される皮膜は、支持体の表面組織が変
えられたのち支持体に結合しうるいかなる材料または材
料類から形成されてもよい、得られる皮膜は種々の厚さ
であってよい、材料はイオンまたは中性原子の形で付着
する。限定ではなく、適切な材料の例は金属であり、金
、チタン、白金、タンタルおよびタングステンが含まれ
る。この方法は常法により満足すべき結合が得られない
金属、たとえば金を結合させるために特に有用である。

本発明によりダイヤモンド上にオーム電極を形成するこ
とができる。さらに、本方法は画然金属の中間層を用い
る先行技術の方法により得られるより強固な結合を皮膜
形成性材料と支持体の間に形成するために有用である。

本発明による支持体は、上記工程に従って薄膜が付着し
うるいずれかの材料である。この方法の利点は室温で多
様な材料を付着させうろことである。限定ではなく、−
例としてこの材料は炭素含有化合物、たとえばダイヤモ
ンド、グラファイトまたはポリマー、ガラスまたはセラ
ミックである。

本発明方法の第１工程に関しては、支持体表面を、支持
体の表面組織を実質的に変化させ、最終的に皮膜材料と
支持体の間に十分な結合強度を得るのに十分な力を生じ
るいずれかの適切な方法で不活性ガスのイオンと接触さ
せる。“十分な付着”は一般に個々の皮膜および用いら
れる支持体、ならびに最終的な皮膜／支持体製品の意図
する用途の双方によって異な、る、不活性ガスイオンと
支持体の接触は支持体のスパッター、たとえば特にイオ
ンスパッターにより行うことができる。

皮膜強度はいずれか適切な方法で測定することができる
。限定ではない一例として、“スコッチテープ粘着試験
”を採用することができ、その際目的とする結合皮膜の
強度に応じて種々の強度のテープを用いる。

本発明による不活性ガスのイオンはいかなる不活性ガス
イオンであってもよい、限定ではない一例として、Ａｒ
　、Ｎｅ　、Ｋｒ　、ＸｅまたはＨｅイオンを用いるこ
とができる。

本発明の第２工程に関しては、イオン流への支持体表面
の暴露は皮膜形成性材料と支持体を十分に結合させるい
ずれかの手段によって行うことができる。金とダイヤモ
ンドの距離、およびダイヤモンドホルダーの角度は、皮
膜材料を支持体に結合させるのに十分な力で金をダイヤ
モンドに接触させるように調整される。

支持体を皮膜形成性材料に暴露するのに適した方法の限
定ではない一例として、皮膜形成性材料をスパッターし
、これにより皮膜形成性原子を支持体表面へ向けて移動
させ、次いで支持体に結合させる。

本発明方法はいかなる適切な温度および圧力においても
行うことができる０本発明の最も重要な利点の１つは、
この方法を室温で行うことができる点である。この方法
はこれより高い、および低い温度においても用いられる
と考えられる０本発明方法は好ましくは１０−５ｔｏｒ
ｒのオーダの圧力で行われるが、これより高い、および
低い圧力も採用しうると考えられる。

皮膜と支持体の間により強い結合を得るために、支持体
表面を不活性ガスのイオンと接触させる前に支持体の表
面から汚染物質を除去しておくことが特定の状況におい
ては望ましいであろう、いずれかの一般的な清浄法、た
とえば化学清浄法を採用することができる。

本発明の他の重要な観点は、この方法により付着した皮
膜が予想外に平滑な外表を備えていることである。従っ
て本発明はこの特性が望まれる用途、たとえば鏡、冷却
用放熱器、レーザー、ライトパイプ、および支持体と化
学反応すべき皮膜に特に有用である。

本発明の他の目的、方法および特性は以下の詳細な説明
を考慮すると明らかになるであろう、これらは本発明の
範囲および特許請求の範囲を限定するものではない。

（好ましい形態の詳細な説明） 本発明の好ましい形態によれば、金をダイヤモンドにイ
オンビームスパッター法により付着させる。要約すると
、この方法は支持体ダイヤモンドにアルゴンイオンをス
パッターし、次いで高純度の金にアルゴンイオンをスパ
ッターし、これにより金をダイヤモンドの表面に結合さ
せる。特注された試験片ホルダーを取付けた通常のスパ
ッターチャンバーが用いられた。

好ましい形態の試験片ホルダー１は黄銅であるが、適切
な材料をいずれも使用しうる。第３図に示すように、ホ
ルダーは三個構成支持部材２６゜３０．３１に取付けら
れた円形リング３２を備えている２円形の孔を含む支持
部材の最頂部品２６の寸法は第４図に示される。ねじ２
２はリング３２を適所に保持し、ねじ２７および２９は
リング３２を支持部材２６，３０．３１に固定する。

ねじ２９とピボット式カバー２．１の間にワッシャー２
８が挿入される。リング３２は中央部２４に円形の孔を
備え、ここにダイヤモンド２５が配置される。マスク２
３がリング３２とピボット式カバー２１の間にはさまれ
、ねじ２９はマスク２３を適所に保持すべく調整される
。試験片ホルダー１は取付はアーム４を備えたスパッタ
ーペデスタル２（第１．２および５〉に、試験片ホルダ
ーが少なくとも一部はイオンビームＮｉｌ内にある状態
で取付けられる。スパッターペデスタル２は台３に取付
けられ、これはりの位置で接地される。

試験片ホルダーの寸法はこの装置の操作にとって重要で
はなく、用いたダイヤモンド片を収容すべく調整された
点を留意されたい。

ダイヤモンドグレート２５を化学清浄処理し、一般的な
イオンビームスパッターチャンバーに装入した。ダイヤ
モンドは試験片ホルダー１に装入され、これが第１図に
示す装置のスパッターペデスタル２に乗せられた０次い
でダイヤモンド片にＡ「イオンをビームエネルギー約１
４にｅＶ、ビーム電流数ミリアンペア、圧力的４〜ｌ０
Ｘ１０−’ｔｏｒｒにおいて約５〜１５分間スバヴター
した。この割合は大幅に変更することができ、これらも
なお本発明の範囲に含まれると考えられる。

スパッター装置のスバヅターベルパラメータは上記の電
流などの条件を与えるべく調整され、これは当業者が容
易になしうると考えられる。

ダイヤモンドをイオンビーム路から取除き、金片ｌＯを
イオンビーム路内のスパッターペデスタル２に乗せた。

試験片ホルダー１をステンレス鋼製のベントプレート６
上に、金１０から約３．２部１Ｍヤモンド２５の表面へ
伝達される角度で取付けた。

ベントプレート６は銅製のプレート支柱５上に取付けら
れ、支柱は銅製の台３に取付けられた。

金１０にＡ「をスパッターすると、エネルギーが原子に
伝達された。金１０の一部がダイヤモンドプレート１上
へ移動し、ここでこれはダイヤモンドの表面に結合した
。第１および２図に示すように、スパッターペデスタル
２の下方の台３内にテフロン８を挿入して絶縁した。ス
パッター速度はビーム電流回路〈図示されていない〉を
用いて測定された。

比較例 寸法的５１ｆｉＩＸ５ｍ＋Ｘ１／４ｍの標準的なダイヤ
モンドプレート、タイプＩＩａ　　（ラザレ・カブラン
・インタナショナル社、ニューヨーク）を常法による四
工程法で化学清浄処理した。ダイヤモンドをまず試薬用
アセトン中、次いで沸騰王水中、次いで“ホワイト・エ
ッチ″　（硝酸３部、フッ化水素酸１部）、最後に蒸留
水中で洗浄した０次いでダイヤモンドをワットマン、タ
イプ４２Ｆ紙上で５分間乾燥させた。

この比較例で用いた装置は抵抗ヒーターバスケット内の
一般的な酸化アルミニウム製るつぼであった。厚さ１０
００オングストロームの合皮膜層をダイヤモンドの表面
に５　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒの圧力でほぼ室温において
付着させた。

次いでダイヤモンドの異なる領域５か所を１０１５イオ
ン／ｄの数倍の積算ビーム強度の２ＨｅＶヘリウムイオ
ンに暴露した。各領域は１辺約■ｍｍの三角形であった
。各領域に種々の期間ヘリウムイオンを当てた。

全皮膜の付着性を“スコッチテープ試ｏｔｎにより調べ
た。これはスコッチ透明テープ、タイプＮｏ、　３７５
０−　Ｇの１片をダイヤモンドに押しつけ、次いで数秒
間以内でテープを剥離するものである。

用いたテープ片はダイヤモンドより大きかった。

実質的にすべての全皮膜がテープに付着してダイヤモン
ド表面から剥離した。若干の試験については金とダイヤ
モンドは全く付着していなかった。

全皮膜の外観は反射および透過双方の照明を備えたタイ
プ・オルトプラン顕微鏡によりａ察された。ヘリウムイ
オン注入によって三角形の暗色領域５個が現われ、これ
はダイヤモンド表面下の黒鉛化を明示するものであった
。

この試験の結果は通常のイオンビームミキシングによっ
て支持体ダイヤモンドとこれに付着した全皮膜との結合
強さが改良されなかったことを示す。

実施例 比較例で用いた標準ダイヤモンドプレート、タイプ［ａ
を比較例に記載したと同様に化学清浄処理した。ダイヤ
モンドマスク２３（１０ａｍＸ１０　ａｍ　Ｘ　４　ｒ
ｍ　）を同じ方法により化学清浄処理した。支持体ダイ
ヤモンドとマスクを第３図に示した試験片ホルダー１に
ダイヤモンド２５の一部かマスク２３で覆われた状態に
固定した０次いでダイヤモンドホルダーをゼネラル・イ
オネックス、モデル１３２０スパツターチヤンバー（図
示されていない）の内側に配置した。マスク２３および
ダイヤモンド２５は、ダイヤモンドにＡ「イオンを付着
前スパッターする際に、覆われたダイヤモンド上には物
質がスパッターされない状態にイオンビームと整合され
た。

試験片ホルダー１は黄銅製であり、第４図に示すように
約１９間×１９關Ｘ　１６ＩＷＩ＋（３／４″×３／４
　”　ｘ　１／１６”　）の寸法であった。

試験片ホルダーをイオンビーム路内の、チャンバー内へ
のビーム入口から約１７ｃｚの位置に置いた。ビーム直
径は試験片ホルダーの直径とほぼ等しくくただしわずか
に大きい〉、約２．５４ａｍ（１インチ）の直径であっ
た。マスクをスパッター物質の出口とダイヤモンドの間
に、ダイヤモンド表面の一部のみがスパッターを受ける
状態に配置した。

次いでダイヤモンドに０．５ミリアンペア、１４ＫｅＶ
のＡｒビーム電流を９８分間用いて、Ａ「をスパッター
した。チャンバー圧力はダイヤモンドのスパッター期間
中４．２　Ｘ　１ｏ−’ｔｏｒｒであった。アルゴンス
パッターの終了時には、ダイヤモンドマスクを取除く際
に空気がチャンバー内へ拡散するのを防止するために、
アルゴン圧力を一時的に大気圧よりわずかに高めた。チ
ャンバー内へ空気が進入するのを避けるためにチャンバ
ー周囲のグローブボックス装置（図示されていない）を
用いて試験片ホルダーからマスを取除き、直径的１ｏお
よび厚さ約２浦の高純度金（不純物含量１０１）Ｉ）１
以下）（ジョンソン・マツティ・ケミカルズ）を第２図
に示すようにイオンビーム路内のホルダーに装入した。

金をダイヤモンド上へ、約１２００オングストローム／
時間の速度で１３．５Ｋｅｙおよび０．２５ミリアンペ
アにおいて約６時間スパッターした。チャンバー−圧は
付着期間中５．４　ｘ　１０−’ｔｏｒｒであった。こ
の処理は室温で行われた。

ダイヤモンドのアルゴン清浄領域および非清浄領域の全
皮膜の外観を観察した。スパッターによりダイヤモンド
表面からダイヤモンドの厚さが減少したことが認められ
た。さらにアルゴンスパッター領域の金皮膜は厚さがよ
り均一であり、わずかに異なる外観を呈した。これは後
に示すようにＡｒスパッター領域と非−Ａｒスパッター
領域の平滑性の相違によって生じたものである。

タイプ・オルトプラン顕微鏡により暗視野反射照明を用
いた暗視野照明鏡検（対物レンズ：タイプ、モデルＨＤ
　Ｆ１５０　、開口数０．７５　）によって、非−アル
ゴンスパッター領域とアルゴンスパッター領域には金皮
膜に著しい相違のあることが明らかになった。前者の領
域においては金皮膜は不均一であり、若干の領域には緑
青（ｐａｔｉｎａ）面が認められた。緑青はアルゴン清
浄処理領域が始まる部位で突然終了していた。スパッタ
ー領域は平滑で欠陥が見られない金皮膜を備えていた。

これら２領域を走査型電子顕微鏡〈インタナショナル・
サイエンティフィック：走査型顕ｒＲｆｌモデルＳＸ−
４０）により調べた。非清浄領域は特有のつや消し組織
を有し、“マウンド”は幅約０．１〜１ミクロン、高さ
０．２ミクロン以下であった。他方、アルゴン清浄領域
の金皮膜には何らかの組織を識別することができなかっ
た。従ってＡ「清浄領域に表面の変化があるとすれば顕
微鏡の解像力約４００オングストローム以下であろう。

これらの所見は本発明により形成された皮膜の平滑性を
示す。

スコッチ透明テープ、タイプ３７５０−　Ｇを合皮膜上
に押しつけ、そして剥離した。剥離する前に皮膜全体が
テープで覆われるように注意を払った。

十分なテープ−皮膜の接触がなされるのを保証するため
に、この操作は顕ｍ鏡下で行われた。

テープを貼付および剥離するこの操作を数回反復した。

このスコッチテープ試験の結果、ダイヤモンド皮膜によ
りマスクされた領域、すなわちＡ「をスパッターしなか
った領域のみにおいて金が剥離した。金皮膜は非スパッ
ター−スパッター領域の鏡界付近で破断していた。全皮
膜蒸着前にＡ「をスパッターした領域からは金が剥離し
なかった。金蒸着前にＡ「をスパッターしなかった領域
からは多量の金が剥離した。

比較例により示されるように、イオンミキシングのみに
よっては金とダイヤモンドの結合の付着強さは増大しな
かった。他方、実施例に示すように、金蒸着前にダイヤ
モンドにアルゴンイオンをスパッターし、すべてのスパ
ッター工程中および工程間においてダイヤモンドをアル
ゴン雰囲気下に保持した場合、同じ種類の表面に対する
スパッターされた金皮膜の付着性が実質的に改良された
。

本発明を好ましい形態と思われるものに関して説明した
が、本発明はここに示される形態に限定されるべきでな
く、特許請求の範囲に含まれる各種の変更および修正を
も包含するものであると解すべきである。たとえば支持
体上に皮膜を形成するために他の付着法、たとえば限定
ではない一例として蒸着法およびめっき法が含まれる。

さらに多くの種類の支持体および皮膜形成性材料、なら
びにこれらの材料の混合物を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい形態の第１工程に従ってスパ
ッターチャンバー内で支持体をスパッターすべく認定さ
れた装置を示す。 第２図は本発明の好ましい形態の第２工程に従って皮膜
形成性材料をスパッターすべく設定された装置を示す。 第３図は本発明の好ましい形態に用いられる試験片ホル
ダーにダイヤモンドが保持された形態を示す。 第４図は実施例による試験片ホルダーの上方部品の寸法
を示す。 第５ａ図は実施例で用いたスパッターペデスタルの寸法
を示す測面図であり、第５ｂ図はその上面図である。 各図において記号は下記のものを表わす。 １：試験片（ダイヤモンド）ホルダー ２ニスバツターペデスタル ３：台　　　　　　　４：取付はアーム５：支柱　　　
　　　６：ベントプレート８：テフロン　　　　９：接
地点 １０：皮膜形成性材料（金） １１：イオンビーム路 ２１：ピボット式カバー ２２．２７，２９：ねじ ２３：マスク　　　　　２４：孔 ２５：支持体（ダイヤモンド） ２６．３０．３１　：三個構成支持部材２８：ワッシャ
−３２＝リング 〈外４名） ＦＩＧ。 ３ ４４４５１０．０５７　ｍｍ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．支持体に結合した皮膜の製法において：（ａ）　支
   持体の表面を不活性ガスイオン流と接触させ、これらの
   イオンは支持体の表面特性を実質的に変化させるのに十
   分な力およびエネルギーを備えており、そして （ｂ）　皮膜形成性材料をこの皮膜形成性材料の原子の
   気化および／またはイオン化に十分なエネルギーをもつ
   不活性ガスイオン流に暴露して、気化した原子を支持体
   に結合した皮膜の形成に十分な力で支持体表面へ伝達す
   る ことよりなる方法。
2. ２．支持体がイオンビームで処理される前にこれから汚
   染物質を除去するために前処理される、請求項１に記載
   の方法。
3. ３．前処理が化学清浄法からなる、請求項２に記載の方
   法。
4. ４．（ａ）および（ｂ）が室温で行われる、請求項１に
   記載の方法。
5. ５．（ａ）が支持体に上記イオンをスパッターすること
   よりなる、請求項１に記載の方法。
6. ６．（ｂ）が皮膜形成性材料に上記イオンをスパッター
   し、支持体を該イオン流の直接通路外であって皮膜形成
   性材料の気化した原子の通路内に配置することよりなる
   、請求項１に記載の方法。
7. ７．支持体と皮膜がほとんどまたは全くバルク化学親和
   性を有しない、請求項１に記載の方法。
8. ８．支持体がダイヤモンド、グラファイト、ガラス、セ
   ラミックおよびポリマーのうち少なくとも１種からなる
   、請求項１に記載の方法。
9. ９．金属がＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａおよびＷのうち少な
   くとも１種からなる、請求項１に記載の方法。
10. １０．金属がＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａおよびＷのうち少
    なくとも１種からなる、請求項２に記載の方法。
11. １１．不活性イオンがＡｒからなり、支持体がダイヤモ
    ンドからなり、金属がＡｕからなる、請求項１に記載の
    方法。
12. １２．皮膜が付着後に支持体から容易には除去されない
    、請求項１に記載の方法。
13. １３．請求項１に記載の方法により形成されるオーム電
    極。
14. １４．イオンスパッターチャンバーからなる、支持体を
    皮膜形成性材料で被覆するための装置において、 該チャンバーは可動支持体ホルダーが内部に取付けられ
    る密閉中空容器からなり、 該ホルダーは第１配置および第２配置を有し、第１配置
    は支持体にイオンをスパッターすることができ、第２配
    置は皮膜形成性材料にイオンをスパッターして支持体に
    結合した皮膜を形成することができる装置。
15. １５．支持体表面の一部が、この部分への皮膜形成性材
    料の結合を防止するためにマスクされている、請求項１
    に記載の方法。