JPH0393695A - 多結晶ダイヤモンド及びその製造法 - 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］ 本発明は多結晶ダイヤモンド及びその製造法に関し、詳
しくは工具、電子部品、光学部品等に利用されるに適し
た、硬度、靭性、熱伝導性、光透過性に優れた多結晶ダ
イヤモンドとその製法に関するものである。

［従来の技術］ 多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドにくらべて靭
性に富み、削岩用のドリルビットなどの特に耐衝撃性が
要求される用途には、現在、天然の多結晶ダイヤモンド
が使われているが、天然の多結晶ダイヤモンドは希であ
り高価である。

このため、金属の結合相を有する焼結ダイヤモンドが一
部で使用されているが、耐摩耗性では天然ダイヤモンド
に劣る。また、焼結ダイヤモンドは、金属相を含むので
、電子部品、光学部品としては使用できない。

また一方、レーザーダイオードなどの特に放熱性が要求
される半導体の放熱基板としては、現在では、天然や超
高圧下で合或された人工の単結晶ダイヤモンドが使われ
ているが、これら単結晶ダイヤモンドは数ミリ角以上の
面積の電子部品や透明度を要求される光学部品を製造す
ることが極めて困難である。

［発明が解決しようとする課題］ 近年、メタンなどのガスを原料として気相中でダイヤモ
ンドを合成する方法が開発された。このダイヤモンドの
気相合成法によれば、基板材料の上に膜状の多結晶ダイ
ヤモンドを容易に成長させることができる。

しかし、気相合成法によるダイヤモンドの成長では、通
常成長速度が１時間に数μｍと遅く、成長速度を大きく
すると、ダイヤモンドの品質が低下して、硬度、熱伝導
率、光透過性などの特性が悪化する問題があった。

ダイヤモンドは本来広い波長域に渡って高い透明度を有
するものであるが、従来の気相合成で得たダイヤモンド
は、黒灰色ないしは褐色であって、光学部品として使用
し得るような透明なものは得られなかった。

本発明はこれらの問題点を解決し、硬度、靭性、熱伝導
性、光透過性に優れた高品質の多結晶ダイヤモンドおよ
びこれを気相合成法によって安価に製造する方法を提供
するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は、人工ダイヤモンド単結晶上に気相合成法
によってダイヤモンドのエビタキシャル成長をさせる研
究の途上で、本発明に到達できた。

すなわち、本発明はＸ線回折による（　１，　１．　１
）面の回折線の強度を１００としたとき、（　４，　Ｏ
，　Ｏ）面の回折線の強度が２０以上であり、且つ成長
基板面に対して（　４，　０，　Ｏ）面が配向している
ことを特徴とする多結晶ダイヤモンドに関する。

また、本発明は上記の多結晶ダイヤモンドを実現する方
法として、気相合成法によって基板上に成長させた多結
晶ダイヤモンド層から、（　１．　Ｏ．　Ｏ）結晶面が
基板に対して平行であるダイヤモンド結晶粒を残して他
の方位のダイヤモンド結晶粒を除去した後、更に該基板
上に気相合成法によってダイヤモンドを成長させること
を特徴とする多結晶ダイヤモンドの製造法を提供するも
のである。

本発明において気相合或によって基板上に成長させた多
結晶ダイヤモンド層から、（　１，　０，　Ｏ）結晶面
が基板に対して平行であるダイヤモンド結晶粒を残して
他の方位のダイヤモンド結晶粒を除去する手段としては
、酸素または水蒸気の存在下での加熱、溶融塩中に浸漬
する、或は酸素または水蒸気を含むプラズマ中に置く等
の手段を採用することが特に好ましい。

［作用］ 本発明の多結晶ダイヤモンドについて、その製法から説
明する。

本発明者等は、人工ダイヤモンド単結晶を基板として気
相合成法によりダイヤモンドをエビタキシャル成長させ
る研究を重ねた結果、単結晶の（　１．　Ｏ，　Ｏ）面
に極めて良質のダイヤモンド層が成長できることを見出
した。

また更に研究を進めたところ、ダイヤモンド以外の異種
基板上に気相合成によって多結晶ダイヤモンド層を成長
する場合においても、ダイヤモンド層中の基板に対して
（　１，　Ｏ，　Ｏ）面が平行になるように成長した粒
子は、他の粒子に比べて非常に結晶性がよいことがわか
った。

しかし、これまでのダイヤモンド気相合成技術では、あ
る程度（１，０．０）面に配向したダイヤモンド膜は得
られても、実用的に使用に耐える透明度などの品質を有
するものは得られていなかった。

本発明では、この点を、ダイヤモンド膜の成長を中断し
て（１，０．０）面の配向した粒子を残してその他の粒
子を除去する操作を一度以上行った後、再ｆｌＥダイヤ
モンド層を成長させるという新規な手段により解決でき
たものである。

本発明におけるダイヤモンドの気相合成法としては、例
えばプラズマＣＶＤ法、熱電子放射材を加熱する熱ＣＶ
Ｄ法、燃焼炎法、イオンビーム法、レーザＣＶＤ法等公
知のダイヤモンド気相合成技術のいずれをも用いること
ができる。

本発明に用いる基板としては、ダイヤモンドの合成に必
要な温度に耐える材料であればよいが、例えばＳｉ，Ｍ
ｏ％ＳｉＣなどの耐熱材料が最も好ましい。

ダイヤモンドの基板成長条件としては、（１，　０，　
Ｏ）面に配向しやすい条件がよく、プラズマＣＶＤ法や
熱ＣＶＤ法では、原料ガス中水素に対する炭素の比率が
元素比で１．５　〜５％程度が好ましい。

１．５　　％未満では（ｔ，ｏ，０）面に配向しにくく
、成長速度が小さくなり、また５％を越えると全体の結
晶性が劣化するので、好ましくないからである。また、
合成時のガス圧力は３　Ｑ　Ｔ　ｏｒｒ以上であること
が好ましい。３　Ｑ　Ｔ　ｏｒｒ未満では成長速度が極
めて小さくなってしまい、好ましくない。

第ｌ図は基板１上に多結晶ダイヤモンド層２が合成され
た状態を示すモデル図であり、斜線部分が（１’，０．
０）面に配向したダイヤモンド粒子である。

このように基板上に多結晶ダイヤモンドを気相合成して
いって、最初に（１，０，０）面配向以外の粒子の除去
を行うのは、各粒子の配同性の選択が明瞭になる膜厚が
２μｍ以上となった段階が好ましく、遅くとも膜厚１０
０μｍに達する以前がよい。この理由は、２μｍ未満の
段階では各粒子が小さく配同性が明瞭でなく、１００μ
ｍを越えると、（１．０．０）面配向以外の粒子を完全
に除去することが困難だからである。

除去の方法としては、酸素または水蒸気の存在下で加熱
する方法、例えばＫＮＯ，　、ＫＯＨＳＮａＯＨ等の溶
融塩中に浸漬する方法、酸素または水蒸気を含むプラズ
マ中におく方法などを採用できる。さらに具体的には、
溶融塩で除去する場合は、例えばＫＮＯ．を６００℃で
溶融し、その中に１時間ダイヤモンドを浸漬する等の条
件を、また、酸素または水蒸気の存在下で加熱する場合
は、酸素または水蒸気の分圧がｌＱＴｏｒｒ以上の雰囲
気でダイヤモンドを５００℃以上、例えば　６００℃に
加熱する等の条件を挙げることができる。

このような手段により多結晶ダイヤモンドの（１，０．
０）面配向の粒子以外が除去できる理由は、（１．０．
０）面に配向した粒子は、他の粒子に比べて結晶性が優
れているので、ダイヤモンドや炭素材料に生じる酸化に
よる侵食を受けにくいからである。

第２図に示すように、（１，０．０）面配向の粒子のみ
を残した基板１上に、さらに気相合成法によりダイヤモ
ンド層を所望の厚さにまで成長させる。

このようにすると、成長するダイヤモンドは、第３図に
示すように（１．０．０）面配向のものとなる。

以上説明した方法で得られた本発明の多結晶ダイヤモン
ドは、Ｘ線回折による（　１，　１，　１）面の回折線
の強度を１００としたとき、（　４，　０．　０）面の
回折線の強度が２０以上である。ＡＳＴＭのＸ線回折デ
ータによれば、ダイヤモンドの粒子がランダムな方位で
存在するダイヤモンド粉末の（１．　Ｑ．　Ｏ）を１０
０とした（４，０．０）面の回折強度は７であるので、
これが２０以上あることは、強い配同性を有してると言
える。本発明のように不要ダイヤモンド粒子の除去を行
わずに結晶成長時の配同性のみによっていた従来法では
このように強い配同性を有するダイヤモンド膜は製造で
きなかった。

そして、本発明による多結晶ダイヤモンドは、（１．０
．０）面に強く配向したものからなるので、アルゴンレ
ーザー光（５　１　４．５　　μｍ）の透過率３０％以
上、熱伝導率５　Ｗ／ｃｍ．Ｋという、優れた特性を示
す。このような物性値は従来品では違或できなかった。

［実施例］ 実施例１ 単結晶Ｓｉを（１．０．０）面で切り出し研磨したもの
（２０ｍｍＸ２０問×１０）を基材として、マイクロ波
プラズマＣＶＤ法によって、最初にメタン４　０　８Ｃ
Ｃｌｌ，水素１５００ｓｃｃ一を供給し、マイクロ波（
２．４５ＧＨｚ）出力ａｏｏｗ，ガス圧力４０Ｔ　ｏｒ
ｒで３時間反応させ、６μｍの厚さまで多結晶ダイヤモ
ンド層を成長させた。

次に、同じ容器内で、酸素２　０　ｓｃｃｇ＋，アルゴ
ン２　０　０　ｓｅｃｍを供給し、マイクロ波出力４０
０Ｗ，ガス圧力４ＱＴｏｒｒとすることにより、当該基
村上に成長した多結晶ダイヤモンド層中の（１，０．０
）面配向粒子以外の粒子を除去した。除去操作を終了し
た段階でダイヤモンド部分の重量減少率は４０％、Ｘ線
回折による（　１，　１．　１）、（　２，　２，　Ｏ
）、（　３，　１．　１）、（　４．　０．　０）各面
の回折線の面積強度比は各々１００、２、０．５、１２
０であった。

このように（１，０．０）面配向粒子以外の粒子を除去
した基板の上に、更に、メタン３　０　＠ｅａｍ，　水
素１　０　０　０　ｓｅｃｓ１アルゴン３　０　０　ｓ
ｅｃｍ、水蒸気５ＢＣＣＩを供給し、マイクロ波（２．
４５（Ｊｚ）出力６００Ｗ，ガス圧力８　０　Ｔ　ｏｒ
ｒで６０時間ダイヤモンドの成長を行ったところ、厚さ
８００μｍのダイヤモンド層が得られた。

以上により得られたダイヤモンドは、白色で、Ｘ線回折
線の面積強度比は上記と同様に、１００、２、０．５、
１２０であった。このダイヤモンドの両面をＲｍａｘ０
．０５μｍの研磨して、アルゴンレーザ光（５１４．５
ｎｍ）の透過率を測定したところ、５８％であった。第
４図に本実施例で得られたダイヤモンドのＸ線回折チャ
ートを示す。

比較例１ 比較のために実施例ｌにおいて最初のダイヤモンドの成
長条件のままで、膜厚４００μｍまで成長させたダイヤ
モンドは黒褐色で、Ｘ線回折による（　１，　ｌ，　１
）、（　２，　２．　０）、（　３，　１．　１）、（
　４，　Ｏ，　Ｏ）各面のＸ線回折強度比は、１００、
２０、３、ｌ２であって、アルゴンレーザ光の透過率は
７％しかなかった。

実施例２〜４及び比較例２，３ 実施例１と同じ装置を用いて、表に示す各々の条件で多
結晶ダイヤモンドを製造した。

以上の実施例２〜４及び比較例２，３で得られたダイヤ
モンドの峙性値も表に併せて示す。

表の結果から本発明による実施例２〜４のダイヤモンド
は（４，０．０）　　面の回折強度、レーザ光透過率、
熱伝導率のいずれもが優れた値であることがわかる。

［発明の効果］ 本発明の多結晶ダイヤモンドは硬度、靭性、光透過性、
熱伝導性に優れ、工具、耐摩部品、例えば半導体基板や
放熱部品や表面弾性波素子基板などの電子部品、光透過
窓やレンズなどの光学部品、装飾品など広範な分野に利
用できる優れた特性のものである。

そして本発明の製造法は、本発明の多結晶ダイヤモンド
を大面積で、しかも安価に製造できる、産業上の利用価
値の大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、本発明の多結晶ダイヤモンドの製
造法を工程順に説明するモデル図であって、第１図は基
板上に最初にダイヤモンドを成長させた状態を示す図、
第２図は第１図のものから（　１．　Ｏ，　Ｏ）面に配
向する粒子以外を除去した状態を示す図、第３図は第２
図のものの上にさらに多結晶ダイヤモンド層を厚く成長
させた状態を示す図である。 図中、ｌは基板、２はダイヤモンド層、斜線部分は（１
，０．０）に配向したダイヤモンド粒子を表す。 第４図は実施例ｌで得られた本発明に係るダイヤモンド
のＸ線回折チャート図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ線回折による（１、１、１）面の回折線の強度
   を１００としたとき、（４、０、０）面の回折線の強度
   が２０以上であり、且つ成長基板面に対して（４、０、
   ０）面が配向していることを特徴とする多結晶ダイヤモ
   ンド。
2. （２）気相合成法によって基板上に成長させた多結晶ダ
   イヤモンド層から、（１、０、０）結晶面が基板に対し
   て平行であるダイヤモンド結晶粒を残して他の方位のダ
   イヤモンド結晶粒を除去した後、更に該基板上に気相合
   成法によってダイヤモンドを成長させることを特徴とす
   る多結晶ダイヤモンドの製造法。
3. （３）上記除去の手段として基板上に成長させた多結晶
   ダイヤモンド層を酸素または水蒸気の存在下で加熱する
   ことを特徴とする請求項（２）に記載の多結晶ダイヤモ
   ンドの製造法。
4. （４）上記除去の手段として基板上に成長させた多結晶
   ダイヤモンド層を溶融塩中に浸漬することを特徴とする
   請求項（２）に記載の多結晶ダイヤモンドの製造法。
5. （５）上記除去の手段として基板上に成長させた多結晶
   ダイヤモンド層を酸素または水蒸気を含むプラズマ中に
   置くことを特徴とする請求項（２）に記載の多結晶ダイ
   ヤモンドの製造法。