JPH042556B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はダイヤモンドの合成方法に関し、さ
らに詳しく言うと、たとえば各種保護膜、光学用
材料、電子材料、化学工業材料などに広く利用す
ることができるダイヤモンドを速い速度で効率よ
く堆積させるダイヤモンドの合成方法に関する。

［従来の技術およびその問題点］ 近年、ダイヤモンドの合成技術が著しい発展を
遂げつつあり、これまでに、炭化水素をプラズマ
分解して基板表面に硬質炭素を得るプラズマ
CVD法、不均等化学反応を利用して基板表面に
硬質炭素膜を得る化学輸送法などのCVD法、熱
陰極PIGガン、冷陰極PIGガンあるいはスパツタ
ーガンを用いたイオン化蒸着法などの種々の合成
技術が知られるに至つている。

ところで、従来、提案されてきた方法は、原料
に炭化水素または炭化水素と水素との混合ガスを
用いるものであり（特開昭58−91100号公報、特
開昭58−110494号公報、特開昭58−135117号公
報、特開昭59−63732号公報、特開昭60−103099
号公報等参照）、これらの方法はダイヤモンドの
堆積速度が遅いという問題を有していた。

そこで、ダイヤモンドの堆積速度の向上を図る
ことを目的として、炭化水素と水素とからなる混
合ガスに一酸化炭素を含有させた原料ガスを用い
る方法が提案されている（特開昭60−191097号公
報参照）。

しかしながら、前記公報に記載された方法は従
来の方法において用いられてきた原料ガスに新た
に一酸化炭素を含有させる必要があるので、原料
ガスの調製が複雑化するとともに、その操作が煩
雑であるという新たな問題を有している。さら
に、前記公報によると、炭化水素に配合する一酸
化炭素の配合含有量を10容量％よりも多くする
と、基体表面に析出する人工ダイヤモンド中の酸
素含有量が多くなりすぎて、ダイヤモンドの結晶
構造が損なわれるようになると言う重大な欠点が
ある。

そこで、操作が簡単で、しかも堆積速度が速く
て、生産効率に優れた、結晶構造の損なわれてい
ないダイヤモンドの合成方法への要請は依然とし
て強いのが現状である。

［発明の目的］ この発明の目的は、前記要請に応え、高周波プ
ラズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、熱
フイラメントCVD法、化学輸送法、イオン化蒸
着法、イオンビーム蒸着法等のいずれの方法によ
る場合であつても、堆積速度が速く、しかも原料
ガスの調製に要する操作がきわめて簡単で生産効
率に優れた、結晶構造に乱れのないダイヤモンド
の合成方法を提供することである。

［前記目的を達成するための手段］ 前記目的を達成するために、この発明者が鋭意
検討を重ねた結果、炭化水素等の炭素源ガスの原
料ガス中の含有割合は約１容量％以下であるとい
う当業者の常識に反し、大量の割合で含有される
一酸化炭素と水素との混合ガスを原料に用いた場
合には、驚くべきことに、従来、必須の原料とさ
れていた炭化水素を用いなくてもダイヤモンドを
製造することができ、しかも、炭化水素を用いた
場合に比較して速い堆積速度で効率よくダイヤモ
ンドが合成できることを見い出してこの発明に到
達した。

すなわち、この発明の概要は、一酸化炭素と水
素とを、一酸化炭素が５〜80容量％になる割合で
含有する混合ガスを励起して得られるガスを、基
板に接触させることを特徴とするダイヤモンドの
合成方法である。

使用に供する前記一酸化炭素としては特に制限
がなく、たとえば石炭、コークスなどと空気また
は水蒸気を熱時反応させて得られる発生炉ガスや
水性ガスを充分に精製したもの、酸化亜鉛、酸化
亜鉛と酸化クロム、酸化亜鉛と酸化鉄、酸化亜鉛
と酸化マグネシウム、酸化亜鉛と酸化銅と酸化ク
ロムなどを担持したシリカ触媒の存在下にメタノ
ールを分解して得られるもの、あるいはボンベに
充填された市販の一酸化炭素ガスを用いることが
できる。

使用に供する前記水素について特に制限がな
く、たとえば石油類のガス化、天然ガス、水性ガ
スなどの変成、水の電解、鉄と水蒸気との反応、
石炭の完全ガス化などにより得られるものを充分
に精製したもの、あるいは、酸化亜鉛、酸化亜鉛
と酸化クロム、酸化亜鉛と酸化鉄、酸化亜鉛と酸
化マグネシウム、酸化亜鉛と酸化銅と酸化クロム
などを担持したシリカ触媒の存在下にメタノール
を分解して得られるものを用いることができる。

この発明の方法においては、原料ガスとして一
酸化炭素と前記水素とを、一酸化炭素の含有量が
５〜80容量％になる割合で、含有する混合ガスを
励起して得られるガスを、基板に接触させること
により基板上にダイヤモンドを堆積させる。

前記混合ガス中の一酸化炭素の含有量が５容量
％よりも少ないダイヤモンドが生成しなかつた
り、ダイヤモンドがたとえ生成してもその堆積速
度が著しく小さい。また一酸化炭素の含有量が80
容量％よりも多いと、ダイヤモンド中に不純物が
混入して純度の高いダイヤモンドを合成すること
ができない。

前記混合ガスは前記一酸化炭素と水素とを前記
所定の混合比となるように調製して混合すること
により得ることができる。メタノールを前記シリ
カ触媒の存在下に分解して得た生成ガスを使用す
る場合、その生成ガスは通常一酸化炭素と水素と
の混合物となつているので、本発明における混合
ガスとするために、前記生成ガスにさらに一酸化
炭素あるいは水素を添加しても良い。なお、この
生成ガスを使用すると、市販の一酸化炭素ガスを
使用する際の危険性を回避することができる。

前記基板には、特に制限がなく、たとえばシリ
コン、アルミニウム、チタン、タングステン、モ
リブデン、コバルトおよびクロムなどの金属、こ
れらの酸化物、窒化物および炭化物、これらの合
金、Al₂O₃−Fe系、TiC−Ni系、TiC−Co系およ
びB₄C−Fe系等のサーメツトならびに各種セラミ
ツクスからなるもののいずれをも使用することが
できる。

混合ガスを励起して励起状態の炭素を含有する
前記ガスを得る手段としては、たとえばプラズマ
CVD法、スパツタ法、イオン化蒸着法、イオン
ビーム蒸着法、熱フイラメント法、化学輸送法な
どの従来より公知の方法を用いることができる。

前記プラズマCVD法を用いる場合には、前記
水素は高周波またはマイクロ波の照射によつてプ
ラズマを形成し、前記化学輸送法および熱フイラ
メント法などのCVD法を用いる場合には、前記
水素は熱または放電により原子状水素を形成す
る。

この原子状水素は、ダイヤモンドの析出と同時
に析出する黒鉛構造の炭素を除去する作用を有す
る。

この発明の方法においては、前記原料ガスのキ
ヤリヤーとして、不活性ガスを用いることもでき
る。

不活性ガスの具体例としては、アルゴンガス、
ネオンガス、ヘリウムガス、キセノンガス、窒素
ガスなどが挙げられる。

これらは、１種単独で用いてもよいし、２種以
上組合わせて用いてもよい。

この発明の方法においては、以下の条件下に反
応が進行して、基板上にダイヤモンドが析出す
る。

すなわち、前記基板の表面の温度は、前記原料
ガスの励起手段によつて異なるので、一概に決定
することはできないが、たとえばプラズマCVD
法を用いる場合には、通常、400℃〜1000℃、好
ましくは450℃〜950℃である。この温度が400℃
より低い場合には、ダイヤモンドの堆積速度が遅
くなつたり、励起状態の炭素が生成しないことが
ある。一方、1000℃より高い場合には、基板上に
堆積したダイヤモンドがエツチングにより削られ
てしまい、堆積速度の向上が見られないことがあ
る。

反応圧力は、通常、10^-3〜10³torr、好ましく
は１〜800torrである。反応圧力が10^-3torrより
も低い場合には、ダイヤモンドの堆積速度が遅く
なつたり、ダイヤモンドが析出しなくなつたりす
る。一方、10³torrより高くしてもそれに相当す
る効果は得られない。

この発明の方法により得ることのできるダイヤ
モンドは、たとえば切削工具の表面保護膜などの
各種保護膜、光学用材料、電子材料、化学工業材
料などに好適に利用することができる。

［発明の効果］ この発明によると、高周波プラズマCVD法、
マイクロ波プラズマCVD法、熱フイラメント
CVD法、化学輸送法、イオン化蒸着法、イオン
ビーム蒸着法等のいずれの方法による場合であつ
ても、一酸化炭素と水素との混合ガスを原料とし
て、速い堆積速度でダイヤモンドを合成すること
ができるので、 (1) 炭化水素を用いる場合のように、原料ガスの
調製が複雑化したり、操作が煩雑になつたりす
ることがなく、 (2) しかも、生産効率に優れる、 (3) ダイヤモンドの結晶構造に乱れがない 等の効果を有する工業的に有利なダイヤモンドの
合成方法を提供することができる。

［実施例］ 次いで、この発明の実施例および比較例を示
し、この発明についてさらに具体的に説明する。

実施例 １ 周波数2.45GPHのマイクロ波電源を使用し、基
板温度900℃、圧力50torrの条件下に出力を500w
に設定した。

次に、この反応室内に一酸化炭素を流量
5sccm、水素を流量95sccmで導入して、マイク
ロ波プラズマCVD法によりダイヤモンドの合成
を１時間行つて、前記温度に制御した基板上に厚
み10μｍの堆積物を得た。なお、基板にはシリコ
ンウエハを用いた。

得られた堆積物について、ラマン分光分析を行
なつたところ、ラマン散乱スペクトルの1333cm^-1
付近にダイヤモンドに起因するピークが見られ、
不純物のないダイヤモンドであることを確認し
た。

なお、このラマン分光分析の測定結果を第１図
に示す。

比較例 １ 前記実施例１において、一酸化炭素に代えて、
メタンガスを用いたほかは前記実施例１と同様に
してダイヤモンドの合成を行なつた。

その結果、厚み1.0μｍの堆積物しか得られず、
前記実施例１に比較してその堆積速度は1/10に低
下した。

実施例 ２ 前記実施例１において、基板にWC−C₀（C₀量
12％）を用いるとともに、基板温度800℃、圧力
40torr、一酸化炭素の流量30sccm、水素の流量
70sccmの条件下に１時間反応を行なつてダイヤ
モンドを合成したところ、基板上に厚み6μｍの
堆積物を得た。

得られた堆積物について、ラマン分光分析を行
なつたところ、ラマン散乱スペクトルの1333cm^-1
付近にダイヤモンドに起因するピークが見られ、
不純物のないダイヤモンドであることを確認し
た。

比較例 ２ 前記実施例２において、一酸化炭素に代えてメ
タンガスと一酸化炭素とを用い、メタンガスの流
量5sccm、一酸化炭素の流量3sccmとしたほかは
前記実施例２と同様にしてダイヤモンドの合成を
行なつた。

その結果、厚み3μｍの堆積物しか得られず、
その堆積速度は前記実施例２に比較して1/2であ
つた。

得られた堆積物について、ラマン分光分析を行
なつたところ、ラマン散乱スペクトルには、ダイ
ヤモンドに起因するピークは見られなかつた。

なお、このラマン分光分析の測定結果を第１図
に示す。

実施例 ３ 前記実施例１において、シリコンの基板を用
い、マイクロ波出力を400Wにし、基板温度を800
℃にし、圧力を40torrにし、一酸化炭素の流量を
80sccmにし、水素の流量を20sccmにした条件下
に１時間の反応を行なつた他は前記実施例１と同
様にしてダイヤモンドを合成したところ、基板上
に厚み12μｍの堆積物を得た。

得られた堆積物について、ラマン分光分析を行
なつたところ、ラマン散乱スペクトルの1333cm^-1
付近にダイヤモンドに起因するピークが見られ、
不純物のないダイヤモンドであることを確認し
た。

比較例 ３ 前記実施例３において、一酸化炭素の流量を
0.5sccmに変えると共に水素の流量を100sccmに
した他は前記実施例３と同様にしてダイヤモンド
の合成を行なつた。

その結果、１時間の反応を行つても基板の表面
全体がダイヤモンドの膜に覆われなかつた。

実施例 ４ 実施例１において、反応室内に一酸化炭素を流
量5sccmおよび水素を流量95sccmで導入する代
りに、シリカ触媒の存在下にメタノールを分解し
て得た一酸化炭素と水素とを含有する生成ガスを
流量50sccmおよび水素を流量50sccmで導入した
（CO／H₂容量比＝14／86）ほかは前記実施例１
と同様に実施した。

その結果、厚み5μｍの堆積物を得た。

その堆積物について、ラマン分光分析を行なつ
たところ、ラマン散乱スペクトルの1333cm^-1付近
にダイヤモンドに起因するピークが見られ不純物
のないダイヤモンドであることを確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１および比較例２におけるラ
マン分光分析の測定結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一酸化炭素と水素とを、一酸化炭素が５〜80
   容量％になる割合で含有する混合ガスを励起して
   得られるガスを、基板に接触させることを特徴と
   するダイヤモンドの合成方法。