JPH04124093A - 燃焼法によるダイヤモンド合成法 - 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、燃焼法によるダイヤモンド合成法に関し、詳
細には、炭化水素系燃料ガスと酸素とをバーナにて燃焼
させ、この燃焼火炎をバーナに対向させて設けた基板表
面に衝突させてダイヤモンドを合成する方法に関するも
のである。

（従来の技術および：Ｊ題〕 ダイヤモンドの人工合成法には、高圧合成法と低圧気相
合成法の二つがある。最近になって低圧気相合成法の一
つとして燃焼火炎を利用する所謂燃焼法によるダイヤモ
ンド合成法が提案されている。この方法は、例えば第４
図に示すように、ダイヤモンド析出用の炭素源としての
炭化水素系燃料ガス（例えばアセチレン５エチレン、メ
タンプロパン、メタノール、エタノール等〕を、酸素を
用いて理論混合比よりもはるかに少ない酸素量でバーナ
１１により燃焼させ、このような燃焼条件によって得ら
れた特定火炎１２中の火口】３近傍に生成するフェザと
称する火炎１４中−・基板１５を置くと共に、この基板
１５を基板ホルダー１６の冷却手段により強制的に冷却
しその温度を６００〜＋２００’ｃに保つことによって
、基板１５表面乙こダイヤモンドを合成するものである
。

一方、本発明者等は、提案されている燃焼によるダイヤ
モンド合成法の多くは基礎実験的なものであることから
、燃焼に使用されるバーナや基板の冷却方法に問題の有
ることを知見し、先にそれらを改善した発明等（特願平
２−１１１２６３号、実願平２−４３６５７号参照〕を
行っている。

そしてその後、本発明者等は、この開発された燃焼によ
るダイヤモンド合成装置を用いて、さらに基板表面にダ
イヤモンドの合成を榎々試みてきた。その結果、燃焼に
よるダイヤモンド合成法は、低圧気相合成法の中でも経
済的な方法ではあるが、基板表面に結晶粒径の大きなダ
イヤモンドを合成することは非常に＃しいことを知った
。即ち、結晶粒径が１００〜３００μ網程度まで成長し
たところで成長が飽和し、それ以上の時間をかけても、
その後は結晶表面にグラファイトやカーボンが析出し始
め、それ以上の大きさの結晶粒径のダイヤモンドの合成
ができなくなることを知った。

そこで、本発明者等は、燃焼によるダイヤモンド合成法
を改善し、経済的に、より大きい結晶粒径のダイヤモン
ドを合成することを目的として、さらに鋭意研究を重ね
、本発明をなしたものである。

［課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明二二係わる燃焼による
ダイヤモンド合成法は、炭化水素系燃料ガスに酸素を混
合しバーナにて燃焼させ、この燃焼火炎をバーナに対向
さセて設けた基板表面に衝突させてダイヤモンドを合成
する方法において、炭化水素系燃料ガスと酸素の混合容
積比（酸素／炭化水素系燃料）を、合成開始取量時間の
経過とともに増大させるものである。

［作　　用］ 以下、本発明の燃焼によるダイヤモンド合成法について
説明する。

第１図は、本発明に係わる燃焼乙こよるダイヤモンド合
成に使用される装置の概要図である。図において、　１
はバーナ、２は基板ホルダを示す。

バーナ】は、燃料と酸化剤とを予混合燃焼するタイプの
バーナであって、燃料と酸化剤は予混合され混合室３か
ら逆火防止板４を経て噴射孔５に供給される。尚、この
例の逆火防止板４は各噴射孔５への流量均等配分の機能
をも有するように形成されている。

基板ホルダ２は、その土面がダイヤモンドを合成するた
めの基板６を置くだめの平面に形成され、且つ開示省略
するがその内部には冷却のだめのガスまたは液体流路が
形成されている。

尚、回申、７は燃焼火炎を、しはバーナ１の先端と基板
６の表面との間の距離を示す。

本発明者等は、上記第１図に示す装置を使用して、バー
ナの先端と基板表面との距Ｍｌ、とダイヤモンドの成長
速度との関係を調査した。この時の実験条件は、燃料と
してアセチレン、酸化剤として純酸素を使用し、純酸素
／アセチレンの容積比を０．９〜１．１とし、両者の総
流量をバーナの噴射孔当たり０．２？＋３／ｈｒとした
。また基板６の冷却として、基板ホルダ２に水を供給し
た場合と空気を供給した場合とを行った。また合成時間
は１時間とした。この実験結果を第２回に示す。

第２図より明らかなように、ダイヤモンドの成長速度は
距１ｉｉＩＬが小さいほど大きく、　１００μ１１／ｈ
ｒ以上となり、従来のプラズマＣＶＤ法などに比較する
と数１０〜数百倍となる。また基板６の冷却が空冷の方
が水冷よりもダイヤモンドの成長速度が大きい理由は、
基板６の表面温度をダイヤモンドを合成する場合の好適
温度６００〜１２００°Ｃの範囲の高い方で管理するこ
とができたためと考えられる。水冷の場合には、基板ホ
ルダ２内で水が沸騰する現象が見られ、基板６の表面温
度を高温域で管理することが難しかった。

しかしながら、上述の如く距離りを小さくして一定に保
ちながら長時間にわたってダイヤモンドの合成をしてい
ても、得られる粒子の大きさには自ずと限界のあること
が明らかとなった。即ち、第３図に示すように、基板６
を、距離Ｌ＝　１ｍｇ＋に保持し水冷した場合には、基
＠６の温度を高くできないためにダイヤモンドの成長速
度が遅く、またその成長は、１時間以上合成しても結晶
粒径が１００μｍ程度で飽和し、２時間１時間以上合成
させると、結晶表面にグラファイトやカーボンが析出し
てダイヤモンドの合成が出来なくなった。一方、基板６
を、距ＨＬ＝　２ｎ＋ｍに保持し空冷した場合には、基
板６の温度が高くでき、ダイヤモンドの成長速度が速く
なり、ダイヤモンド結晶粒径も約３００／／ＩＮの大き
さまで成長するが、１時間半以上合成させると水冷の場
合と同様に、結晶表面にゲラファイトやカーボンが析出
してダイヤモンドの合成が出来なくなった。

このようにダイヤモンドの合成が出来なくなる理由は、
ダイヤモンドの成長が基板表面近傍におけるＣＩ（、Ｃ
ａ１ｌ、　ｔ、などの炭素中間生成物に関係しているた
めと考えられる。即ち、第２図に示したようにバーナの
先端と基板表面との距離が小さい場合には、基板表面近
傍に多くの炭素中間生成物が存在し、合成初期にはそれ
らがダイヤモンドに析出し、基板上へ積層できる合成能
力（一種の吸収能力）を有するが、時間の経過に連れダ
イヤモンドの粒子や膜厚が大きくなるに伴い、炭素中間
生成物が多量に基板上へ供給されても、上記合成能力が
低下しグラファイトやカーボンになるためと推論される
。

そこで、本発明では、炭化水素系燃料ガスに酸素を混合
しバーナにて燃焼させ、この燃焼火炎をバーナに対向さ
せて設けた基板表面に衝突させてダイヤモンドを合成す
る際、炭化水素系燃料ガスと酸素の混合容積比（酸素／
炭化水素系燃料）を、合成開始以降時間の経過とともＯ
二増大させ、これにより、基板表面近傍ユこおける炭素
中間生成物の量を合成開始時より少なくしてグラファイ
トやカーボンの発生を抑制し、ダイヤモンｌを安定シて
析出させ、より大きい結晶粒径のダイヤモンドを合成す
るものである。

尚、本発明者等は、本発明と同し、より大きい結晶粒径
のダイヤモン１を合成することを目的として、先に、２
件の燃焼法によるダイヤエンド合成法を開発し出願して
いる（特願平２−２０５４１２−号特願平２−２０５４
１２号）。本発明は、これらの方法を絹み合わせて行う
ことにより、細かな制御が可能となり、より結晶性の良
い大粒径のダイヤ上２１合成が可能となる。

［実　施　例］ 前述した第１図に示ず装置を使用し、炭化水素系燃料ガ
スとしてアセチレンを使用するとともに酸素との総流量
をバーナの噴射孔当たり０．２Ｎｍ３／ｈｒとし、また
基板の冷却として基板ホルダに空気を供給し、またバー
ナの先端と基板表面との距翻りをＬ＝　２ｍｍに設定し
、この条件の元で、酸素／アセチレン（０□／Ｃ２ｔｌ
□）の容積比を、下記の如く変化させて基板上にダイヤ
モンドを合成した。

すなわち、実施例】は、合成初期の約３０分はダイヤモ
ンドの成長速度が比較的大きいＯｚ／ＣｚＨｚ＝１．０
５で合成し、その後、酸素の量を増して０□／Ｃ２１１
ｚ＝１．０８で２時間３０分合成した。

実施例２は、前記実施例同様に合成初期の約３０分は０
□／ＣＪｚ＝１．０５で合成し、その後、酸素の量を増
してｏｘ／　Ｃ２＋１２　＝　１．０９で２時間３０分
合成した。

実施例３は、前記実施例同様に合成初期の約３０分は０
２／Ｃ２１１２＝１．０５で合成し、その後、酸素の量
を増して０２／Ｃ２Ｈ２＝１．］０で２時間３０分合成
した。

これらの実施例を第３関に比較し、て示す。

これらの実施例においては、酸素／アセチレンの容積比
を０□／　ＣｚＨｚ　＝　１．０５で合成し続けた場合
に約１時間３０分経過後に結晶表面にグラファイトやカ
ーボンが析出してダイヤモンドの合成が出来なくなった
のに対して、３時間経過してもグラファイトやカーボン
の析出も無く結晶粒径の大きなダイヤモンドが合成でき
た。因みに、合成時間が３時間では、実施例１で約５０
０〃ｍ、実施例２で約４５０μ餠、実施例３で約３５０
１Ｊｖ、の大きさのダイヤモンドがそれぞれ合成できた
。

尚、上記実施例では、酸素／アセチレンの容積比を合成
初期の約３０分後に一度変えた例のみを説明したが、こ
の結果より明らかなように、合成初期の酸素／アセチレ
ンの容積比に対し、その後の容積比を大きく変化させる
と、同時間で合成されるダイヤモンドの大きさが小さく
なる傾向があることから、ダイヤモンドが合成可能と言
われている酸素／炭化水素系燃料の容積比０．９〜１．
１の距囲内で、酸素／炭化水素系燃料の容積比を合成初
期のそれより、よりこまめに増大させることにより、よ
り大きなダイヤモンドが合成されるものと考える。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明に係わる燃焼法によるダイヤモ
ンド合成方法乙こよれば、経済約６こ、より大きな結晶
粒径のダイヤモンドが合成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる燃焼法によるダイヤモンド合
成方法に適用される装置の概要図、第２図は、バーナの
先端と基板表面との距ａｔとダイヤモンドの成長速度と
の関係を示す図、第３図は、ダイヤモンドの合成時間と
結晶粒径との関係を示す閲、第４図は、従来技術の説明
図である。 １　バーナ　　　　　　　２　基板ホルダ６　基板 特許出願人　株式会社神戸製鋼所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　炭化水素系燃料ガスに酸素を混合しバーナにて燃焼さ
   せ、この燃焼火炎をバーナに対向させて設けた基板表面
   に衝突させてダイヤモンドを合成する方法において、炭
   化水素系燃料ガスと酸素の混合容積比（酸素／炭化水素
   系燃料）を、合成開始以降時間の経過とともに増大させ
   ることを特徴とする燃焼法によるダイヤモンド合成法。