JPH04305094A - ダイヤモンドの化学蒸着に適した成長促進用金属シェル - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、モノリシックダイヤモ
ンドを基材（基板）上に化学蒸着させて得られるダイヤ
モンドに係り、特に、ダイヤモンドの化学蒸着に使用す
る反応器の内壁または内壁表面の組成に係る。

【０００２】

【従来の技術】合成によるダイヤモンドの製造方法とし
て各種のものが知られている。特に、基材上にダイヤモ
ンドコ―ティングを蒸着して切削工具や研磨工具を作成
することが知られている。

【０００３】近年開発された合成ダイヤモンド蒸着方法
の１種は化学蒸着法（化学的気相成長ともいう。以下で
は「ＣＶＤ」と略すこともある）である。ＣＶＤ法も含
めて各種のダイヤモンド蒸着法の概論としては、「化学
と工学のニュ―ス（Ｃｈｅｍｉｃａｌ＆　Ｅｎｇｉｎｅ
ｅｒｉｎｇ　Ｎｅｗｓ）」の第６７（２０）巻、第２４
〜３９頁（１９８９年５月１５日）を参照されたい。こ
の文献を援用する。

【０００４】ＣＶＤ法では水素と炭化水素ガス（メタン
など）の混合物を熱的に活性化し、基板上に通して基板
と接触させる。水素ガスは原子状水素に変換され、これ
が炭化水素と反応して元素状炭素を形成する。この元素
状炭素がダイヤモンドの形態で基板上に析出する。ＣＶ
Ｄダイヤモンドコ―ティング法（以下「フィラメント」
法という）の多くは、これらの変換が起こる高い活性化
温度を達成するために通常少なくとも２０００℃の温度
に加熱される電線またはフィラメントを始めとする抵抗
加熱ユニットを１個以上使用する。

【０００５】切削工具などのような物品の製造には比較
的厚いダイヤモンドコ―ティングが必要である。石英製
反応チャンバ内のダイヤモンドの蒸着速度は０．６５μ
（厚み）／時程度であるので、厚いダイヤモンドコ―テ
ィングを蒸着させるには長い時間が必要となる。

【０００６】

【発明の概要】本発明の基礎となった発見は、特定種類
の金属を反応チャンバ内の金属シェルライナもしくは内
壁として使用することによって、または特定種類の金属
を使用して反応チャンバの均一な外壁を作成することに
よって、反応チャンバ内で基板上にダイヤモンドが蒸着
する速度を大きく増大することができるということであ
る。この特定種類の金属としては、銅の融点に等しいか
またはそれより高い融点を有するもの、たとえば銅、ニ
ッケルおよび貴金属（たとえば、銀、金、白金など）が
包含される。好ましい金属はモリブデンである。この特
定種類の金属を「促進性金属」という。「促進性」とは
、その金属が、基板上へのダイヤモンドの蒸着を促進し
て、少なくとも０．８μ／時、好ましくは少なくとも１
．５μ／時の速度にまで上昇させることを意味する。 ０．８μ／時および１．５μ／時は、蒸着したダイヤモ
ンドの厚みの増加速度である。金属という用語は純粋な
金属ばかりでなく合金も意味するものとする。銅の融点
に近い融点を有する金属の場合は、たとえばウォ―タジ
ャケットによって反応チャンバを冷却することができる
。反応チャンバは銅の融点より高い融点を有する金属で
作成され、反応チャンバを周囲環境中に置くことによっ
て生ずる対流および伝導以外の追加の冷却手段で冷却し
ないのが好ましい。また、特定種類の金属が基板上への
ダイヤモンドの蒸着を干渉することなくその蒸着を促進
することが重要である。鋼の形態の多くは反応ガスの炭
化を生起させる。この問題を避けるために、鋼製反応容
器の内面をダイヤモンドの蒸着を促進する金属で内張り
する（ライニングを設ける）ことができる。

【０００７】円形の断面積を有する石英製反応チャンバ
の場合、金属シ―トを曲げてスリ―ブの形態にし、石英
製反応チャンバ内に入れ、跳返らせて石英製反応チャン
バの内面に当接させることができる。

【０００８】内面全体のできるだけ多くを促進性金属で
覆うのが好ましい。たとえば、「内面全体」が、導入口
や出口を取囲む領域および促進性金属で覆う必要のない
導電体を取巻いている領域を含む必要はない。内面の部
分的被覆を使用する場合、反応チャンバのうち基板の高
さと等しいかまたはそれより大きい高さを促進性金属で
覆うのが好ましい。また、促進性金属が基板の上方と下
方の両方に伸びていることも好ましい。覆う（被覆）と
いうことは物理的に覆われるだけではなくシ―ルド（遮
蔽）されることも意味する。シ―ルドされるとは、基板
、または基板が存在しない場合には基板保持手段と反応
チャンバの外壁との間に促進性金属が位置することを意
味している。促進性金属は反応器の外壁と接触するシェ
ルライナの形態であることができるし、あるいは外壁か
ら離れた内壁の形態であることもできる。内壁が基板ま
たは基板保持手段と外壁の間に位置する限りその間隔は
重要ではない。内壁は外壁から１〜２５ｍｍ離れている
のが好ましい。また、内壁はガス導入口と排気手段の近
くの限られた領域およびフィラメントに電流を流すため
の導体の近くの領域を除いて反応チャンバを完全に包囲
することができる。

【０００９】また、促進性金属は、通常の対流ならびに
大気および必要な支持手段に対する伝導によるものを除
いて冷却しないのが好ましい。銅のように低融点材料の
場合、そのような材料は物理的な垂れ下がりまたは融解
を避けるために必要な程度に冷却するのが好ましい。液
体冷却を使用することもできる。

【００１０】

【詳細な説明】

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

【００１１】図１には本発明のＣＶＤダイヤモンド蒸着
装置の促進性金属表面が描かれている。反応チャンバ１
は気密性であり、したがって減圧に維持することが可能
である。この反応チャンバ１は適切なガス導入口３と排
気口５を備えている。反応チャンバ１の壁７は促進性金
属であるモリブデンから構築されており、この金属は約
２０００℃程度のフィラメント温度および約１０００℃
までの基板温度に容易に耐える。

【００１２】図１の装置の特徴として、多少曲がってい
てもよいが通常は平面状である一対の基板９が示されて
いる。ダイヤモンドを蒸着する基板として適したもので
あればいかなる基板材料も使用できる。そのような材料
の例はホウ素、窒化ホウ素、白金、黒鉛、モリブデン、
銅、窒化アルミニウム、銀、鉄、ニッケル、ケイ素、炭
化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナおよびシリカ、ならび
にこれらの組合せである。

【００１３】多くの条件下で金属モリブデン基板が特に
適しており、好ましいことが多い。概略の輪郭が図示さ
れている支持体１１は基板９を互いに平行に、かつ蒸着
が起こるのに適した間隔で適正な位置に保持するための
支持手段として機能する。

【００１４】また、この装置は、２つの電極１３および
１５と垂直に伸びている導電性フィラメント１７とから
なる抵抗加熱手段も含んでいる。このフィラメント１７
を構成している材料には特に重要な意味はなく、この目
的に適していることが業界で知られているいかなる材料
でも使用可能である。そのような材料の例を挙げると金
属のタングステン、タンタル、モリブデンおよびレニウ
ムがある。比較的に安価でしかも特に適しているためタ
ングステンが好ましいことが多い。フィラメントの直径
は通常約０．２〜１．０ｍｍであり、約０．８ｍｍが好
ましいことが多い。

【００１５】フィラメント１７は前記基板９の間に位置
しており、基板と平行でそれからほぼ等しい距離のとこ
ろにある。フィラメントと基板の間隔は通常５〜１０ｍ
ｍ程度である。

【００１６】図で、固定された電極１５は支持柱２１を
通して台２３に接地されている。台２３もまた促進性金
属のモリブデンから作成されている。台２３はアルミニ
ウム端末リング２９上に設置されている。

【００１７】石英製ベアリングからなる絶縁体２５が電
極１５とその支持体２１を導電素子２７から電気的に絶
縁している。導電素子２７は絶縁体２５を介して、フィ
ラメント１７の他端に固定されている第二の固定電極１
３に導電接続されている。

【００１８】基板９は約７００〜１０００℃の範囲の温
度に保つのが好ましい。というのは、この範囲内でダイ
ヤモンドの成長速度が最大になるからである。

【００１９】作動時には、本発明の装置の反応チャンバ
１を約７６０トル以下、通常は１０トル程度の圧力に維
持する。水素と炭化水素（メタンであることが最も多く
、通常はガス全体の約２容量％までの量で存在する）の
混合物をチャンバ１の中に通し、電極１３および１５な
らびにフィラメント１７に電流を流してフィラメント１
７を少なくとも約２０００℃の温度に加熱する。外壁７
全体をモリブデンで構成するとダイヤモンド粒子の良好
な成長が期待される。

【００２０】図２に示した装置は図１に示した装置と同
じ特徴をもっているが、追加の特徴として、鋼製の外壁
３１がＣＶＤダイヤモンド蒸着反応器３３のモリブデン
壁７を包囲している。これにより、ダイヤモンドの蒸着
を促進するのにより薄いモリブデン壁７を使用すること
が可能になり、同時に鋼がダイヤモンド蒸着反応を妨害
する可能性を排除する。

【００２１】図３に示した装置の内部の特徴は図１に示
した装置と同じであるが、壁の構造が変わっている。Ｃ
ＶＤダイヤモンド蒸着反応器３７の外壁３５は石英製で
あり、内壁の一部３９がモリブデン製である。内壁３９
は厚さ１０ミル（０．２５ｍｍ）のシ―トを曲げること
によって、高さ３０．５ｃｍ（１２インチ）、直径１０
ｃｍ（４インチ）の円形断面を有する円筒にして形成し
た。 内壁３９は外壁７により形成された開口内に挿入し、外
壁７の内面に向かって跳返らせて装着した。この部分的
内壁３９は基板９より上方と下方の両方に伸びていた。 モリブデン製の内壁３９を使用した結果を下記表に示し
、モリブデン内壁３９をもたない類似の反応器によるダ
イヤモンドのＣＶＤと比較する。

【００２２】 　　　　　　パラメ―タ―　　　　　　　　　　　　促
進性金属内壁　　　　　　　　　　標　　準　　装　　
置　　成長速度　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１．７　　μ／時　　　　　　　　　　０．６５　
　μ／時　　時間　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　２８　　日　　　　　　　　　　　　　
　　　２８　　日　　ガス流量　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　４００　　ｃｃ／分　　　　　　　
　　　４００　　ｃｃ／分　　ＣＨ４　−Ｈ２　　　　
　　　　　　　　　　　Ｈ２　中１．２５％ＣＨ４　　
　　　　　Ｈ２　中１．２５％ＣＨ４　　　フィラメン
ト−基板　　　　　　　　　　７　　ｍｍ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　６　　ｍｍ　　　　　　　　
　　　　　　　　間距離　　フィラメント寸法　　　　
　　直径　０．０３０インチ（０．０７６ｍｍ）　　直
径　０．０３０インチ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　長さ９インチ（２３ｍｍ）　　　　
　　長さ９インチ　　フィラメント組成　　　　　　　
　　　２１８タングステン　　　　　　２１８タングス
テン　　フィラメント温度　　　　　　　　　　　　２
０４０　　℃　　　　　　　　　　　　２０４０　　℃
　　フィラメントの　　　　　　　　　　　　　　４４
／３７．５　　　　　　　　　　４４／３７．５　　　
　　　　　　　　　電流／電圧 　　圧力　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１０　　トル　　　　　　　　　　　　　　１０
　　トル　　基板　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１／８　×１／２　×　９インチ　　　　　　１
／８ｘ１／２ｘ９　インチ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（．３×　１．３×２２ｍ
ｍ）３個　　　　３個　　基板組成　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　モリブデン　　　　　　　　　
　　　　　モリブデン　　　　　　 ダイヤモンドの蒸着速度が大きく増大する原因は内壁ラ
イナの促進性金属の性質に関連している。以前は、銅の
反応容器を使用すると、ダイヤモンド蒸着速度が石英製
の容器で得られる速度より約８０％増大するのが観察さ
れていた。この銅製の容器は水冷していた。

【００２３】なぜ促進性金属壁ライナまたは促進性金属
反応容器では蒸着速度が増大するのか、実験的に立証す
るのは困難であるがいくつか推測することができる。

【００２４】第一に、ダイヤモンド蒸着速度を鈍らせる
ラジカル種がいくつかあるであろう。促進性金属表面で
の再結合速度はガラス表面や石英表面より数オ―ダ速い
ので、促進性金属ライナは反応チャンバ内の望ましくな
い化学種の濃度を低下させることになるのであろう。

【００２５】第二に、促進性金属は石英やガラスよりず
っと良好に輻射を反射する。冷却してあってもなくても
金属ライナによって輻射の反射が増大すると、通常の実
験パラメ―タはすべて同じままでチャンバ内のガスの温
度が上昇し得る。ガスの温度が高くなるとダイヤモンド
の蒸着速度が速くなり得る。

【００２６】第三に、反応チャンバ内の化学種の勾配が
その濃度より重要なことがある。ある化学種の拡散流量
はその化学種の濃度と勾配との積に比例する。促進性の
金属ライナは再結合表面として機能することによってチ
ャンバ内の化学種の勾配と流れを増大させ得る。

【００２７】第四に、石英やガラスはＣＶＤ蒸着に対し
て温和な有害物質として機能し得る。化学反応およびス
パッタリングにより、ケイ素、酸素および各種のケイ素
‐酸素化合物がチャンバの壁からガス相中へ放出され、
蒸着速度を決定する重要な反応を遅くすることがある。

【００２８】第五に、促進性金属ライナはある種の望ま
しくない化学種に対して化学ゲッタとして機能し得る。 そのような化学種はライナと化学的に反応するか、また
はライナ中に溶解することができ、その結果ガス相中の
その化学種の濃度が低下する。

【００２９】本発明以前には、ＣＶＤダイヤモンド蒸着
用反応器の構成材料として石英が良好であると考えられ
ていた。その理由は、石英表面における原子状水素の再
結合速度が非常に低いからである。原子状水素はダイヤ
モンド蒸着反応に必須である。しかし、促進性金属は原
子状水素に対する再結合係数が非常に高い。これが当業
者に教示していることは、促進性金属で作成された反応
器内の原子状水素濃度は低く、ダイヤモンド蒸着の速度
も低いだろうということである。予期に反して、その逆
が真であることが判明したのである。

【００３０】図４に示した装置の内部の特徴は図３に示
した装置と同じ特徴をもっている。違っているのは、内
部のモリブデン壁４１がＣＶＤダイヤモンド蒸着用反応
器の外壁３５から少しだけ離れていることである。この
ため、内壁４１は、外壁３５との伝導から絶縁すること
ができ、外壁３５への伝導によって冷却されることなく
外壁より高い温度で作動させることができる。

【００３１】促進性の金属および合金のすべてを本明細
書に記載したわけではないが、いずれの金属または合金
が促進性であるのか決定するための指針は当業者にとっ
て充分であろう。従来技術と比べて大幅な進歩は不定で
あるが、本明細書中に提供した指針に従って、蒸着速度
は好ましい最低の蒸着速度（１．５μ／時）を大きく上
回るはずである。また、内壁と外壁との間の１〜２５ｍ
ｍという間隔も臨界的なものではないが、内壁と外壁の
熱的絶縁をもたらすために勧められている。

【００３２】ダイヤモンドの化学蒸着に露出される壁の
表面に促進性金属を含ませる場合を取上げて説明してき
たが、化学蒸着反応に露出される反応器の台も多少の影
響を及ぼし得るので促進性金属を含有するのが好ましい
。内壁表面の一部のみが促進性金属である場合にダイヤ
モンド蒸着の顕著な改良が達成されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】促進性金属の外壁を有するＣＶＤダイヤモンド
蒸着装置の断面図である。

【図２】促進性金属で覆われた外壁を有するＣＶＤダイ
ヤモンド蒸着装置の断面図である。

【図３】外壁と接触する促進性金属製の部分内壁を有す
るＣＶＤダイヤモンド蒸着装置の断面図である。

【図４】外壁から離れて促進性金属製の部分内壁を有す
るＣＶＤダイヤモンド蒸着装置の断面図である。

【符号の説明】

１　　反応チャンバ、 ３　　ガス導入口、 ５　　排気口、 ７　　壁、 ９　　基板、 １１　　支持体、 １３、１５　　電極、 １７　　フィラメント、 ２１　　支持体、 ２３　　台、 ２５　　絶縁体、 ２７　　導電素子、 ３１　　鋼製外壁、 ３３、３７　　ＣＶＤダイヤモンド蒸着反応器、３５　
　石英製外壁、 ３９　　モリブデン製部分的内壁、 ４１　　モリブデン製内壁。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくとも１つのガス導入口と少なく
   とも１つの排気手段とを有しており、大気圧より低い圧
   力に維持することができる密閉型反応チャンバと、前記
   チャンバ内に基材を支持するための支持手段と、熱活性
   化用手段とを含んでおり、反応チャンバ内の壁の表面が
   促進性金属を含有していることを特徴とする、化学蒸着
   により基材上にダイヤモンドを蒸着するための装置。
2. 【請求項２】　　熱活性化用手段が少なくともひとつの
   加熱フィラメントである、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】　　前記金属が基材上へのダイヤモンドの
   蒸着を促進して少なくとも１．５μ／時の速度にする、
   請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】　　金属がモリブデンである、請求項１記
   載の装置。
5. 【請求項５】　　金属が銅の融点と等しいかまたはそれ
   より高い融点を有する、請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】　　金属が、銅、ニッケル、銀、金、白金
   、パラジウム、モリブデンおよびこれらの混合物より成
   る群の中から選択される、請求項１記載の装置。
7. 【請求項７】　　金属が、蒸着速度を少なくとも１．５
   μ／時まで増大するのに充分な量の銅、ニッケル、銀、
   金、白金、パラジウムまたはモリブデンを含有する合金
   の中から選択される、請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】　　壁が内壁である、請求項１記載の装置
   。
9. 【請求項９】　　壁が基材の高さより大きい高さをもっ
   ており、基材の上方と下方の両方に伸びている、請求項
   ８記載の装置。
10. 【請求項１０】　　内壁が基材と外壁との間に位置して
    いる、請求項９記載の装置。
11. 【請求項１１】　　外壁が石英である、請求項８記載の
    装置。
12. 【請求項１２】　　内壁が外壁から１〜２５ｍｍ離れて
    いる、請求項１０記載の装置。
13. 【請求項１３】　　反応チャンバの壁の内面全体が促進
    性金属を含有している、請求項１記載の装置。
14. 【請求項１４】　　反応チャンバの壁の内面の大部分が
    促進性金属を含有している、請求項１記載の装置。
15. 【請求項１５】　　反応チャンバの内面全体が促進性金
    属を含有している、請求項１記載の装置。
16. 【請求項１６】　　反応チャンバの内面の大部分が促進
    性金属を含有している、請求項１記載の装置。