JPH0474795A - Method for vapor phase synthesis of diamond - Google Patents

Method for vapor phase synthesis of diamond

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JPH0474795A
JPH0474795A JP2181572A JP18157290A JPH0474795A JP H0474795 A JPH0474795 A JP H0474795A JP 2181572 A JP2181572 A JP 2181572A JP 18157290 A JP18157290 A JP 18157290A JP H0474795 A JPH0474795 A JP H0474795A
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JP
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gas
diamond
combustion
vapor phase
phase synthesis
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JP2181572A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiichiro Tanabe
敬一朗 田辺
Naoharu Fujimori
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To improve growth rate and quality by applying an electric field across a nozzle for producing a combustion flame and a substrate and carrying out vapor phase synthesis of diamond in the aforementioned state. CONSTITUTION:A combustible gas (A), a combustion improving gas (B) and an oxygen atom-containing gas (C) are fed to a nozzle for producing a combustion flame arranged in an evacuative reaction vessel so as to provide molar ratios of 0.5<(A/B)<20 and 0.00001<(C/A)<0.1. The gases are then burned under 10-760 Torr pressure in a reducing atmosphere to form a flame composed of an inner flame and a flame cone. A DC or AC electric field is then applied across the nozzle and the substrate heated at 600-1200 deg.C to perform vapor phase synthesis of diamond on the substrate while producing a plasma.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃焼炎を用いたダイヤモンドの気相合成法、詳
しくは高純度、高結晶性で高熱伝導性、低誘電性、高透
光性、高比弾性、耐摩耗性等を必要とされる用途に使用
されるダイヤモンドを安価に、高速でしかも長時間安定
して合成可能な新規な気相合成法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for vapor phase synthesis of diamond using a combustion flame, specifically, a method for producing diamond with high purity, high crystallinity, high thermal conductivity, low dielectricity, and high translucency. The present invention relates to a new gas phase synthesis method that allows diamond to be synthesized inexpensively, rapidly, and stably for a long period of time for use in applications requiring high specific elasticity, wear resistance, etc.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、人造ダイヤモンドは高温高圧下の熱力学的安定化
に於いて合成されてきたが、最近は気相からのダイヤモ
ンド合成が可能となっている。この気相合成法は、通常
10倍以上の水素ガスで希釈した炭化水素カスを原料に
用い、この原料カスをプラズマもしくは熱フィラメント
で励起して反応室中の基材上にダイヤモンド層を形成せ
しめている。しかし、成長速度は0.1μm/h〜2.
0μm/hと遅く、工業的に利用するにはまだ問題かあ
った。
Conventionally, synthetic diamonds have been synthesized under thermodynamic stabilization at high temperatures and high pressures, but recently it has become possible to synthesize diamonds from the gas phase. This gas-phase synthesis method uses hydrocarbon scum diluted with hydrogen gas (usually 10 times or more) as a raw material, and excites this raw material scum with plasma or hot filament to form a diamond layer on the base material in a reaction chamber. ing. However, the growth rate is 0.1 μm/h to 2.0 μm/h.
It was slow at 0 μm/h, which was still a problem for industrial use.

また、気相合成の新しいプロセスとして、燃焼炎を用い
たダイヤモンド合成か提唱されている(広瀬等、第35
回日本応物理学会関係連合講演会、講演要旨集、434
頁、29a−T−1,昭和63年4月)。
Diamond synthesis using combustion flame has also been proposed as a new process for gas phase synthesis (Hirose et al., No. 35
Collected lecture abstracts of the Japan Association of Physical Sciences Association Lectures, 434
p. 29a-T-1, April 1986).

さらにまた、減圧下における燃焼炎によるダイヤモンド
合成も提案されている(柳沢等、第37回日本応用物理
学会、講演要旨集、358頁、平成2年4月)。
Furthermore, diamond synthesis using a combustion flame under reduced pressure has also been proposed (Yanagisawa et al., 37th Japan Society of Applied Physics, Proceedings, p. 358, April 1990).

しかし、これらの方法で、再現性良く、結晶性の良いダ
イヤモンドを長時間安定して合成することや、工業的に
応用するにはまだまた多くの問題があった。
However, there were still many problems in using these methods to stably synthesize diamond with good crystallinity over a long period of time with good reproducibility, and to apply them industrially.

本発明者等もダイヤモンドの高速気相合成、高純度化を
図るため、すでに特願平1−15456号明細書におい
て、「可燃性ガスを支燃性ガスで燃焼させた燃焼炎の還
元性雰囲気を用い、ダイヤモンドを基材上に合成する方
法において、合成雰囲気湿度を35%以上80%以下と
することを特徴とする方法」により、ダイヤモンドの合
成の安定化、成長速度の向上、析出面積の拡大、ダイヤ
モンドの高品質化を図ることが可能になることを見出し
て、上記方法を提案している。
In order to achieve high-speed vapor phase synthesis and high purity of diamond, the present inventors have already published a document in Japanese Patent Application No. 1-15456 entitled "Reducing atmosphere of a combustion flame in which a combustible gas is burned with a combustion-supporting gas". A method of synthesizing diamond on a substrate using a method, characterized in that the humidity of the synthesis atmosphere is set to 35% or more and 80% or less, stabilizes the synthesis of diamond, improves the growth rate, and reduces the precipitation area. We have found that it is possible to enlarge diamonds and improve the quality of diamonds, and have proposed the above method.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上2己従来技術、特に燃焼炎を用いるダイヤモンドの合
成法は、その歴史も浅(、適正な合成条件等も十分には
わかっていないのが現状である。また、従来の気相合成
技術に比し、炭素の過飽和度が高いため、析出している
ダイヤモンドの表面がグラファイト化やアモルファス化
が進行し易く、数時間以上といった長時間にわたり、安
定して結晶性の良いダイヤモンド膜の析出を行うのは困
難であった。また、燃焼炎を用いたダイヤモンドの合成
は、通常、大気開放系において行われる為、大気中から
の窒素の拡散により析出したダイヤモンド中に窒素か取
り込まれる問題点もあった。窒素がランダムに取り込ま
れると、膜質か黒っぽく変色したり、ダイヤモンド成分
以外に非ダイヤモンド成分か増加する等の問題点も生じ
てくる。
Part 2 Conventional techniques, especially diamond synthesis methods using combustion flames, have a short history (currently, the appropriate synthesis conditions are not fully understood). In contrast, due to the high degree of supersaturation of carbon, the surface of the precipitated diamond tends to become graphitized or amorphous, and a diamond film with good crystallinity can be deposited stably over a long period of time, such as several hours or more. Furthermore, since diamond synthesis using a combustion flame is usually carried out in a system open to the atmosphere, there is also the problem that nitrogen is incorporated into the precipitated diamond due to nitrogen diffusion from the atmosphere. If nitrogen is introduced randomly, problems such as the film quality becoming blackish or an increase in non-diamond components in addition to diamond components may occur.

本発明の目的は、燃焼炎を用いたダイヤモンドの気相合
成法において、成長速度が更に向上し、窒素の混入等を
防止できて、高品質のダイヤ膜、ダイヤ粒子を長時間安
定して成長させる合成法を提供することにある。
The purpose of the present invention is to further improve the growth rate, prevent nitrogen contamination, etc., and stably grow high-quality diamond films and diamond particles over a long period of time in a diamond vapor phase synthesis method using combustion flame. The objective is to provide a synthetic method that allows

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明者らは、これらの問題点を解決すべく、燃焼炎の
還元性雰囲気を用いてダイヤモンドを合成する方法を鋭
意研究の結果、真空排気可能なヘラセル内で合成するこ
とにより、ダイヤモンド中に窒素原子が混入しない膜が
合成できたか、この状態ではダイヤモンドの析出速度、
面積、品質においてはまだ不十分であり、燃焼炎発生用
火口と基材間に直流または交流の電界を印加してプラズ
マを発生させることにより、安定してダイヤモントをコ
ーティングすることか可能であること、好ましくは合成
雰囲気中に燃焼炎発生用支燃性ガスとは別に酸素原子含
有ガスを添加することにより、ダイヤモンドの析出速度
の向上、面積の拡大、品質の安定を図ることか可能とな
ることを見出し、本発明に到った。
In order to solve these problems, the present inventors have conducted extensive research into a method of synthesizing diamond using the reducing atmosphere of combustion flames. Were we able to synthesize a film that does not contain nitrogen atoms? In this state, the diamond precipitation rate,
Although the surface area and quality are still insufficient, it is possible to stably coat diamond by applying a direct current or alternating current electric field between the combustion flame generating crater and the base material to generate plasma. Preferably, by adding an oxygen atom-containing gas to the synthesis atmosphere in addition to the combustion-supporting gas for combustion flame generation, it is possible to improve the diamond precipitation rate, expand the area, and stabilize the quality. This discovery led to the present invention.

すなわち、本発明は可燃性ガスを支燃性ガスで燃焼させ
た燃焼炎の還元性雰囲気を用い、ダイヤモンドを基材上
に合成する方法において、燃焼炎発生用火口と基材間に
直流または交流の電界が印加されプラズマが発生してい
る状態でダイヤモンドを合成することを特徴とする方法
である。
That is, the present invention is a method for synthesizing diamond on a base material using the reducing atmosphere of a combustion flame obtained by burning a combustible gas with a combustion-supporting gas. This method is characterized by synthesizing diamond while an electric field is applied and plasma is generated.

本発明の特に好ましい実施態様として、上記合成反応が
真空排気可能な反応容器内で行われ、該反応容器内の雰
囲気中に燃焼炎発生用支燃性ガスとは別に酸素原子含有
ガス、とりわけ好ましくは水蒸気が添加されていること
を特徴とする上記方法を挙げることかできる。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, the above-mentioned synthesis reaction is carried out in a reaction vessel which can be evacuated, and an oxygen atom-containing gas, especially preferably may include the above-mentioned method characterized in that water vapor is added.

このとき、真空排気可能な反応容器内の雰囲気中の上記
可燃性カス(A)、上記支燃性ガス(B)、反応雰囲気
中に該支燃性ガスとは別に添加されている酸素原子含有
カス(C)〔以下、添加酸素原子含有ガスとも称す〕の
モル比が、 0.5<A/B<20、且つ 0.00001 <C/A<0.1 なる条件を満たすことか特に好ましい。
At this time, the combustible scum (A), the combustion-supporting gas (B), and the oxygen atom-containing gas added to the reaction atmosphere separately from the combustion-supporting gas are present in the atmosphere in the reaction vessel that can be evacuated. It is particularly preferable that the molar ratio of the scum (C) [hereinafter also referred to as added oxygen atom-containing gas] satisfies the following conditions: 0.5<A/B<20 and 0.00001<C/A<0.1 .

また本発明において、該真空排気可能な反応容器内の雰
囲気が不活性ガスを含んでもよく、このとき上記可燃性
カス(A)、上記支燃性ガス(B)上証添加酸素原子含
存ガス(C)、不活性ガス(D)のモル比が、 D<A+B十C なる条件を満足することが特に好ましい。
Further, in the present invention, the atmosphere inside the reaction vessel which can be evacuated may contain an inert gas, in which case the combustible gas (A), the combustion supporting gas (B), and the above-mentioned oxygen atom-containing gas. It is particularly preferable that the molar ratio of (C) and inert gas (D) satisfies the following condition: D<A+B0C.

本発明の反応圧力は10Torr以上760Torr以
下であることが特に好ましい。
It is particularly preferable that the reaction pressure of the present invention is 10 Torr or more and 760 Torr or less.

〔作用〕[Effect]

本発明では可燃性ガスを支燃性ガスで燃焼させた燃焼炎
の還元性雰囲気を用いてダイヤモンドを合成する方法に
おいて、燃焼炎発生用火口と基材間に直流もしくは交流
の電界を印加し、プラズマを発生させることを第一の特
徴とし、第二に例えば真空チャンバー等の真空排気可能
な反応容器内で合成反応を行い、該真空チャンバー雰囲
気中に酸素原子含有ガスを含むことを特徴としている。
In the present invention, in a method for synthesizing diamond using the reducing atmosphere of a combustion flame obtained by burning a combustible gas with a combustion-supporting gas, a direct current or alternating current electric field is applied between a combustion flame generating crater and a base material, The first feature is that plasma is generated, and the second feature is that the synthesis reaction is performed in a reaction container that can be evacuated, such as a vacuum chamber, and the vacuum chamber atmosphere contains an oxygen atom-containing gas. .

第三に、上記雰囲気中に不活性ガスを添加することを特
徴としている。
Thirdly, the method is characterized in that an inert gas is added to the atmosphere.

第1図は本発明の一具体例の概略説明図であり、燃焼炎
発生用火口と基材間に電界を印加してプラズマを発生さ
せている状態を示す。このプラズマの存在により、カス
温度の安定上昇、ダイヤモンド成長速度の向上、ダイヤ
モンド膜質の高品質化、ダイヤモンド膜、結晶粒の緻密
化(これは工具等に利用する場合に特に有利である)等
の作用、効果か得られる。また、プラズマを用いるため
に不活性ノ1スを雰囲気中に導入でき、これはダイヤモ
ンド析出面積を広域化できる。
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a specific example of the present invention, showing a state in which plasma is generated by applying an electric field between a combustion flame generating crater and a base material. The presence of this plasma results in stable increases in scum temperature, improvement in diamond growth rate, higher quality of diamond film, and densification of diamond film and crystal grains (this is especially advantageous when used in tools, etc.). Effects and effects can be obtained. Furthermore, since plasma is used, an inert gas can be introduced into the atmosphere, which can widen the area of diamond precipitation.

本発明のダイヤモンド合成反応は大気中からの窒素の拡
散混入を防ぐ目的で、上記反応が真空排気可能な反応容
器内、例えば真空排気可能なヘラセルや真空チャンバー
内等で、もしくはシールドガス等により窒素の拡散を遮
断した状態で行なわれることか好ましい。
In order to prevent the diffusion and contamination of nitrogen from the atmosphere, the diamond synthesis reaction of the present invention is carried out in a reaction vessel that can be evacuated, such as a Hera cell or a vacuum chamber that can be evacuated, or by using a shield gas etc. It is preferable that the process be carried out in a state where the diffusion of

窒素ガスか反応雰囲気中に存在すると、析出するダイヤ
セン1−膜中に窒素原子が取り込まれてしまい好ましく
ない。特にプラズマを併用する本発明の場合は窒素原子
を取り込み易いため、ダイヤモンドの膜質が劣化(非ダ
イヤモンド成分の増加)し、ダイヤモジ1−結晶中に転
位等の欠陥が増加してしまう危険性があるがらである。
If nitrogen gas is present in the reaction atmosphere, nitrogen atoms will be incorporated into the precipitated Diacene 1 film, which is undesirable. In particular, in the case of the present invention that uses plasma, it is easy to incorporate nitrogen atoms, so there is a risk that the quality of the diamond film will deteriorate (increase in non-diamond components) and defects such as dislocations will increase in the diamond crystal. It is empty.

不活性ガスの雰囲気中への添加は、燃焼炎のガス温度を
上昇させ、且つプラズマを安定させる効果がある為、析
出面積の拡大にも効果的である。
Addition of an inert gas to the atmosphere has the effect of increasing the gas temperature of the combustion flame and stabilizing the plasma, and is therefore also effective in expanding the deposition area.

なお、プラズマの発生を用いない従来の燃焼炎によるダ
イヤモンド合成に於いては、不活性ガスの雰囲気中への
添加は燃焼炎のガス温度を低下させて逆効果となる。
In addition, in conventional diamond synthesis using a combustion flame that does not use plasma generation, adding an inert gas to the atmosphere lowers the gas temperature of the combustion flame and has the opposite effect.

第7図は一般的な燃焼炎発生火口と通常の燃焼炎の構造
を示す概略図である。通常は図示のように針弁を火口内
に持ち、可燃性ガスはすべてここで絞りこ′まれて周辺
の支燃性ガスに引き込まれて流れる。火炎構造は、通常
の大気中では炎心(コア)■、内炎(アセチレン酸素火
炎の場合アセチレンフェザ−)2、外炎3の大きく分け
て3つの構造を持っており、ダイヤモンドの析出する部
分は還元性の高い内炎部2である。可燃性ガスと支燃性
ガスが完全燃焼している場合には内炎2は存在せず、炎
心1と外炎3のみの構造となる。しかし、この場合、炎
は酸化性の炎となる為、この状態からはダイヤモンドを
合成は出来ない。従って、この状態から可燃性ガスの流
量を増加させて、内炎2の存在する状態にし、この内炎
2を第8図に示すように、基材に接触させることにより
、ダイヤモンド合成が可能となる。第8図は一般的な大
気中での燃焼炎を用いた従来のダイヤモンド合成法を示
す概略図である。第7.8図において、dは炎心の長さ
、d、は内炎の長さを示す。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of a general combustion flame generating crater and a normal combustion flame. Usually, a needle valve is placed inside the crater as shown in the figure, and all flammable gas is squeezed out and drawn into the surrounding combustion-supporting gas to flow. In normal atmosphere, the flame structure can be roughly divided into three parts: the flame core (core), the inner flame (acetylene feather in the case of an acetylene-oxygen flame), and the outer flame (3). is the inner flame part 2 with high reducing property. When the combustible gas and the combustion-supporting gas are completely combusted, the inner flame 2 does not exist, and the structure consists of only the flame core 1 and the outer flame 3. However, in this case, the flame becomes an oxidizing flame, so diamonds cannot be synthesized from this state. Therefore, by increasing the flow rate of the flammable gas from this state to create a state in which the inner flame 2 exists, and bringing this inner flame 2 into contact with the base material as shown in Figure 8, diamond synthesis is possible. Become. FIG. 8 is a schematic diagram showing a conventional diamond synthesis method using a combustion flame in the atmosphere. In Figure 7.8, d indicates the length of the flame core and d indicates the length of the inner flame.

これに対し、本発明では真空チャンバー等を用いて外気
と遮断して燃焼させるので、第5図に示すように外炎部
3か消失し、内炎2か増加する。
On the other hand, in the present invention, since the combustion is performed while isolated from the outside air using a vacuum chamber or the like, the outer flame part 3 disappears and the inner flame part 2 increases as shown in FIG.

このとき、内炎2の長さdz(m)と炎心の長さd、(
mm)の比か 1 < d 2 / d l≦ 40 炎心の先端と基材との距離1 (mω)か0(IlII
o)<l  ≦ 100100(なる条件を各々満たす
ことか好ましい。
At this time, the length dz (m) of the inner flame 2 and the length d of the flame core, (
mm) or 1 < d 2 / d l ≦ 40 The distance between the tip of the flame core and the base material is 1 (mω) or 0 (IlII
o) < l ≦ 100100 (it is preferable to satisfy each of the following conditions).

また、本発明は大気を遮断して内炎2か増加した状態で
行なう為、通常の大気中で合成する場合に比へ、可燃性
ガスと支燃性ガスとの最適混合比は、やや酸素が多めの
状態にソフトする。
In addition, since the present invention is carried out in a state where the atmosphere is shut off and the internal flame is increased, the optimum mixing ratio of combustible gas and combustion supporting gas is slightly oxygen Soften to a state where there is a large amount of

本発明においてダイヤモンド合成の原料として用いる燃
焼炎発生用の可燃性ガスとは、アセチレン、プロパン、
エチレン、プロピレン、ブタン、ブチレン、ヘンゼン、
メタン、エタン、−酸化炭素等の可燃性IJガス、JI
S規格に22401980で定められる液化石油ガス(
LPG)、JIS規格52121−1979  で定め
られる都市ガス、メタンを主成分とし、他に若干の軟質
炭化水素を含む天然ガス、石油系の燃料を熱分解、接触
分解、水素化分解あるいは部分燃焼等の操作により低分
子化して得られるコークス炉カスC0G) 、製鉄所の
高炉で鉄鉱石から銑鉄を製造する際発生する高炉ガス(
BFG)、Coを多量に(約70%)含む転炉ガス(L
DG) 、Co、Hfを主成分とする石炭ガス化ガス等
のガス状のもの、又、これらの中にアルコール類、ケト
ン類、アルデヒド類等の分子中に少量の酸素等を含む液
状有機化合物を含む化合物のの1種または2種以上の混
合ガスであってもよい。
In the present invention, the combustible gases for generating combustion flames used as raw materials for diamond synthesis include acetylene, propane,
Ethylene, propylene, butane, butylene, Hensen,
Flammable IJ gases such as methane, ethane, carbon oxide, JI
Liquefied petroleum gas specified in S standard 22401980 (
LPG), city gas defined in JIS Standard 52121-1979, natural gas whose main component is methane and some other soft hydrocarbons, and petroleum-based fuels such as thermal cracking, catalytic cracking, hydrocracking, or partial combustion. Coke oven scum (C0G), which is obtained by reducing the molecular weight by the operation of
BFG), converter gas (L
DG) Gaseous substances such as coal gasification gas whose main components are Co and Hf, and liquid organic compounds containing a small amount of oxygen in the molecule such as alcohols, ketones, aldehydes, etc. The gas may be one type or a mixed gas of two or more types of compounds containing.

本発明における燃焼炎発生用の支燃性ガスとは酸素また
は酸素を主成分とするガス、例えば酸素を主成分とし不
純物としてCOやCot、CHt等を含むガス等を用い
るることができる。
The combustion-supporting gas for generating a combustion flame in the present invention may be oxygen or a gas containing oxygen as a main component, such as a gas containing oxygen as a main component and impurities such as CO, Cot, CHt, etc.

また、本発明においては、該反応雰囲気内に上記した燃
焼炎発生用支燃性ガスとは別に酸素原子含有ガスが添加
されていることが好ましく、この添加酸素原子含有ガス
の存在により著しくダイヤモンドの成長速度、膜質が向
上し、析出面積が増大する。この理由は、反応雰囲気中
に酸素原子含有ガスが添加されると、燃焼炎の還元炎(
おちに内炎)中に活性度の高い分子種が増大する為と考
えられる。
In addition, in the present invention, it is preferable that an oxygen atom-containing gas is added to the reaction atmosphere in addition to the above-mentioned combustion-supporting gas for combustion flame generation, and the presence of this added oxygen atom-containing gas significantly reduces the diamond quality. The growth rate and film quality are improved, and the precipitation area is increased. The reason for this is that when an oxygen atom-containing gas is added to the reaction atmosphere, the reduction flame of the combustion flame (
This is thought to be due to an increase in highly active molecular species during internal inflammation.

該添加酸素原子含をガスとしては、例えば酸素(Ox)
  、   Co、   CO2,H2O,HtO2,
CzHsOHCH308等を挙げることができるか、水
蒸気か特に好ましい。これは、水蒸気の解離反応か吸熱
反応であり、ダイヤモンドか生成する際の反応か発熱反
応であることから、自由エネルギー変化の見地からも、
ダイヤモンド生成反応を促進する一種の触媒的反応作用
を及ぼしているとも考えられる。
The gas containing the added oxygen atoms is, for example, oxygen (Ox).
, Co, CO2, H2O, HtO2,
Examples include CzHsOHCH308, and water vapor is particularly preferred. This is a dissociation reaction of water vapor or an endothermic reaction, and a reaction during diamond formation or an exothermic reaction, so from the viewpoint of free energy change,
It is also thought that it acts as a kind of catalytic reaction that promotes the diamond-forming reaction.

ただし、これらの解釈はダイヤモンドか気相中から合成
されるプロセスが解明されていない為、つの推論にしか
過ぎない。
However, these interpretations are only speculations because the process by which diamond is synthesized from the gas phase has not been elucidated.

上記の各ガスはそれぞれのモル数を可燃性ガス(A)、
支燃性ガス(B)、添加酸素原子含有ガス(C)とする
とき、モル比が、 0.5<A/B<20        且つ0.000
01<  C/A  <  0.1なる条件を満足する
ことが好ましい。
The number of moles of each of the above gases is combustible gas (A),
When the combustion-supporting gas (B) and the gas containing added oxygen atoms (C), the molar ratio is 0.5<A/B<20 and 0.000
It is preferable to satisfy the following condition: 01<C/A<0.1.

A/B≦0.5  では炭素濃度が低く、ダイヤモンド
が析出せず、20≦Δ/Bでは炭素濃度か高く、ダイヤ
セン1−以外の非ダイヤモンド成分の析出か顕著になる
When A/B≦0.5, the carbon concentration is low and no diamond is precipitated, and when 20≦Δ/B, the carbon concentration is high and non-diamond components other than Diacene 1- are significantly precipitated.

同様に、添加酸素原子含有ガス(C)と可燃性ガス(A
)とは、各々のモル比が 0.00001<C/Δ〈 01 であることか良く、
モル比が、 C/A<0.00001  の場合、酸素
原子含有カスの添加効果は無く、0.1<C/A  の
場合は逆にダイヤモンドか析出しない条件となる。
Similarly, gas containing added oxygen atoms (C) and flammable gas (A
) means that the molar ratio of each is 0.00001<C/Δ< 01,
When the molar ratio is C/A<0.00001, there is no effect of adding oxygen atom-containing scum, and when 0.1<C/A, on the other hand, conditions are such that diamond does not precipitate.

反応雰囲気への不活性ガスの添加は、前記したようにプ
ラズマの放電の安定性向上に特に効果的であるが、可燃
性カス(A)、支燃性ガス(B)、添加酸素原子含有ガ
ス(C)、不活性ガス(D)のモル比が D<A+B+C なる条件を満たすことか好ましい。これは不活性ガスが
 D≧A+B+Cなる条件で混入されると、ガスの温度
低下か顕著になり、非ダイヤモンド成分の析出か多くな
るからである。
The addition of an inert gas to the reaction atmosphere is particularly effective in improving the stability of plasma discharge, as described above, but it is especially effective for improving the stability of plasma discharge. It is preferable that the molar ratio of (C) and inert gas (D) satisfies the following condition: D<A+B+C. This is because if an inert gas is mixed under the condition of D≧A+B+C, the temperature of the gas will drop significantly, and more non-diamond components will be precipitated.

ここで、本発明の不活性ガスとは、アルゴンカス、ヘリ
ウムガス、クリトンガス、キセノンカス、ラドンガスて
あり、これらの1種または2種以上の混合カスであって
もよい。
Here, the inert gas of the present invention includes argon gas, helium gas, Kryton gas, xenon gas, and radon gas, and may be one type or a mixture of two or more of these gases.

反応圧力は10Torr以上760Torr以下である
ことか好ましい。10Torr未満てはダイヤモンド成
長速度が極端に低下し、760Torrを越えると、大
気中で加圧状態となり設備的に大がかりとなり、不都合
である。
The reaction pressure is preferably 10 Torr or more and 760 Torr or less. If it is less than 10 Torr, the diamond growth rate will be extremely reduced, and if it exceeds 760 Torr, it will be in a pressurized state in the atmosphere and the equipment will be large-scale, which is disadvantageous.

基材温度は600°C〜1200℃か好ましいか、成長
速度を低下させてもかまわない時や、コーティング基材
の融点の問題等から600°C未満にしてもダイヤモン
ドを析出させることは可能である。
Is it preferable for the substrate temperature to be between 600°C and 1200°C, or is it possible to precipitate diamond even if the temperature is lower than 600°C due to the problem of lowering the growth rate or the melting point of the coating substrate? be.

反対に基材表面温度が1100℃を越えることは、ダイ
ヤ膜質以外にグラファイト成分やアモルファス成分を含
むものになり易い為、好ましくない。
On the other hand, it is not preferable for the surface temperature of the base material to exceed 1100° C., since the base material tends to contain graphite components and amorphous components in addition to the diamond film quality.

本発明に用いる基材としては、この種のダイヤモンド気
相合成法に通常用いられる基材であればいずれてもよい
が、例えばSi、 SiC,S uN、、 BBCBN
、BCN、W、WC,Mo 、Mo、CNb、 Ta、
 Af’、 A1’N、 C,Ti、 Tic、 Ti
N、  Cu。
The base material used in the present invention may be any base material commonly used in this type of diamond vapor phase synthesis method, such as Si, SiC, SuN, BBCBN, etc.
, BCN, W, WC, Mo, Mo, CNb, Ta,
Af', A1'N, C, Ti, Tic, Ti
N.Cu.

Si Ox 、 Al 20 s等を挙げることかでき
る。
Examples include SiOx and Al20s.

本発明の方法によると、プラズマ印加かな(燃焼雰囲気
中に酸素原子含有ガスを含まない従来法に比へ、数倍以
上の成長速度で合成でき、しかも非ダイヤモンド成分を
含まない高品質ダイヤモンドを均一に、長時間(数時間
)安定に製造できることか判明した。
According to the method of the present invention, it is possible to synthesize high-quality diamonds uniformly using plasma application (compared to the conventional method, which does not contain oxygen atoms in the combustion atmosphere), at a growth rate several times higher than that of the conventional method, which does not contain oxygen atoms in the combustion atmosphere, and which does not contain non-diamond components. In addition, it was found that it could be produced stably for a long period of time (several hours).

〔実施例〕〔Example〕

以下に具体的な例を示し、本発明を説明するか、本発明
はこれに限定されるところはない。
The present invention will be explained below with specific examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例1〜11及び比較例12〜15 第1図〜第4図はいずれも本実施例で用いた真空チャン
バー型の燃焼炎発生装置の例を示す概略図であり、本装
置の火炎発生部は第5図に示すように可燃性カス、支燃
性ガスの内部混合型であり、ガスの噴出速度を調整でき
るよう針弁のついたイノゼクタ構造を有している。
Examples 1 to 11 and Comparative Examples 12 to 15 FIGS. 1 to 4 are schematic diagrams showing examples of the vacuum chamber type combustion flame generator used in the present examples, and show the flame generation section of the device. As shown in FIG. 5, this is an internal mixing type of combustible scum and combustion-supporting gas, and has an injector structure with a needle valve so that the gas ejection speed can be adjusted.

また、基材は冷却水等による冷却装置を持つ支持台に載
置され、基材上方の燃焼炎発生用の火口と基材間には直
流もしくは交流による電界を印加できる安定化電源か各
々設置されていて、火口と冷却支持台は真空チャンバー
に絶縁碍子を介して固定されている。
In addition, the base material is placed on a support stand equipped with a cooling device using cooling water, etc., and a stabilized power source capable of applying a direct current or alternating current electric field is installed between the base material and the crater for generating combustion flames above the base material. The crater and cooling support are fixed to the vacuum chamber via insulators.

第1図は反応雰囲気ガスが支燃性ガスと可燃性ガスのみ
からなる例を示すもので、可燃性ガスはCzHsOH,
(CH3)2C0等を入れた恒温槽を通して、バブリン
グしてから燃焼用火口に導入される。
Figure 1 shows an example in which the reaction atmosphere gas consists of only combustion-supporting gas and combustible gas, where the combustible gases are CzHsOH,
It is bubbled through a constant temperature bath containing (CH3)2C0, etc., and then introduced into the combustion crater.

第2図は反応容器内に添加酸素原子含有ガスを導入して
行なう例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example in which a gas containing added oxygen atoms is introduced into the reaction vessel.

第3図は添加酸素原子ガスとして水蒸気を反応容器内に
導入して行なう例を示す図であり、恒温槽で発生させた
水蒸気はニードル弁を介して導入される。
FIG. 3 is a diagram showing an example in which water vapor is introduced into the reaction vessel as the added oxygen atomic gas, and the water vapor generated in the thermostatic chamber is introduced through a needle valve.

第4図は発生した燃焼炎の外側を同心円状に取り囲んだ
ノズルより不活性ガスや添加酸素原子含有ガスを導入し
、内炎、外炎(還元性炎 燃焼炎の外側から不活性ガス
を導入している為、不完全燃焼が生じてきて:真空中で
は通常消失していた外炎が生じることがある)の制御及
び安定化を行っている例を示す図である。
Figure 4 shows an inert gas or a gas containing added oxygen atoms introduced from a nozzle concentrically surrounding the outside of the generated combustion flame, and an inner flame and an outer flame (reducing flame). This is a diagram illustrating an example of controlling and stabilizing incomplete combustion (which may result in an external flame that normally disappears in a vacuum).

本実施例及び比較例において、基材は2.5關厚さの3
インチ多結晶ンリコンの表面を#5000(1/2〜3
IA)のダイヤモンド粉末を用いて表面研磨したものを
使用した。
In this example and comparative example, the base material was 3 mm thick with a thickness of 2.5 mm.
#5000 (1/2-3
The surface was polished using diamond powder of IA).

ダイヤ膜合成時間は各々5時間とした。The diamond film synthesis time was 5 hours for each.

作成した膜は、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM
)により表面観察及び断面の表面観察を行い、X線回折
、ラマン分光分析、透過型電子顕微鏡により結晶構造の
評価を行った。
The created film was examined using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM).
), surface observation and cross-sectional surface observation were performed, and crystal structure was evaluated using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and transmission electron microscopy.

ラマン分光分析はArレーザーの514 nmの波長を
用い、後方散乱法により行った。このラマン分光分析に
よるダイヤモンドの結晶性の指標としては第6図のラマ
ンスペクトル図に示すように、1332、5±5 c+
n−’に表れるダイヤモンド成分のピーク(E)と、主
に1100〜1700cF−’に表れる非ダイヤモンド
成分のピーク(F)との比(F/E)を求め、ダイヤモ
ンドの結晶性の指標とした。非ダイヤモンド成分の混入
状態を示すピークは大きさとしては1400〜1600
cm−’の範囲に表れるものが通常強度が最も多いのか
殆どである。この値(F/E)は小さい程、非ダイヤモ
ンド成分の混入が少なく、高品質のダイヤモンドである
ことを示す。
Raman spectroscopic analysis was performed using an Ar laser with a wavelength of 514 nm and a backscattering method. As shown in the Raman spectrum diagram in Figure 6, the index of diamond crystallinity determined by this Raman spectroscopic analysis is 1332,5±5 c+
The ratio (F/E) between the diamond component peak (E) appearing at n-' and the non-diamond component peak (F) mainly appearing at 1100 to 1700 cF-' was determined and used as an index of diamond crystallinity. . The peak indicating the presence of non-diamond components has a size of 1400 to 1600.
In most cases, those appearing in the cm-' range usually have the highest intensity. The smaller this value (F/E) is, the less non-diamond components are mixed in, indicating that the diamond is of high quality.

またダイヤモンド中の窒素原子の混入状態は、ESR(
電子スピン共鳴)法によって測定した。
In addition, the state of nitrogen atoms mixed in diamond is ESR (
It was measured by the electron spin resonance) method.

下記表1に実験条件、表2に実験結果を示す。Table 1 below shows the experimental conditions, and Table 2 shows the experimental results.

表  2 本発明の実施例であるNα1〜Nα11と比較例である
Nα14.Nα15を比較して判るように、窒素ガスの
混入を排除した反応容器内でプラズマを発生しダイヤモ
ンドを合成することにより、非ダイヤモンド成分を殆と
含まない、膜中にも窒素原子が混入しない、欠陥の少な
いダイヤモンド膜か合成可能となることかわかる。
Table 2 Nα1 to Nα11 which are examples of the present invention and Nα14 which is a comparative example. As can be seen by comparing Nα15, by generating plasma and synthesizing diamond in a reaction vessel that excludes nitrogen gas, it contains almost no non-diamond components and no nitrogen atoms are mixed into the film. This indicates that it will be possible to synthesize diamond films with fewer defects.

次に工具性能を評価する為、実施例のNα1、比較例の
Nn14と同様の条件でコーティング時間だけを変化さ
せて、各々100ρ厚のダイヤモンドをSi基材上にコ
ーティングし、レーザー処理により切断加工し、弗硝酸
による溶解後、超硬合金の台座に刃付は処理を行った。
Next, in order to evaluate the tool performance, diamond with a thickness of 100ρ was coated on the Si base material under the same conditions as Nα1 in the example and Nn14 in the comparative example, only the coating time was changed, and cutting was performed using laser processing. After dissolving with fluoronitric acid, the cemented carbide pedestal was treated with blades.

被削材として外周面軸方向に延びる4本の溝が形成され
たA390合金(Ai’−17%Sl)丸棒を用い、切
削速度400m/min、切り込み0.2mm、送りO
,1mm/rev、の条件で乾式切削し、工具性能を評
価した。
An A390 alloy (Ai'-17%Sl) round bar with four grooves extending in the axial direction on its outer peripheral surface was used as the work material, cutting speed was 400 m/min, depth of cut was 0.2 mm, and feed rate was O.
, 1 mm/rev, and the tool performance was evaluated.

実施例のNα1の条件で作成したサンプルはV b刃先
摩耗量か60分切削時24岬であったか、比較例のNα
14の条件で作成したサンプルはvb刃先摩耗量か1分
切削時で55声であった。
The sample made under the conditions of Nα1 in the example had a V b cutting edge wear amount or 24 capes in 60 minutes of cutting, or the Nα in the comparative example.
The sample prepared under the conditions of No. 14 had a VB cutting edge wear amount of 55 in one minute of cutting.

雰囲気中に水蒸気や酸素原子含有ガスを添加した本発明
の実施例のNα1〜Nα11は、添加しない比較例のk
12〜Nα15に比べて、より高品質なダイヤモンドを
合成することが可能となることかわかる。
Nα1 to Nα11 of the examples of the present invention in which water vapor and oxygen atom-containing gas were added to the atmosphere are the k of the comparative examples without addition.
It can be seen that it is possible to synthesize a higher quality diamond than that of 12 to Nα15.

不活性ガスを添加することは、実施例のNαlと実施例
のNα9を比較してわかるように、析出面積の拡大に効
果があると判明した。但し、ラマン分光分析よるダイヤ
膜質の評価では、添加によりやや膜質か劣ることがわか
った。
Addition of an inert gas was found to be effective in expanding the precipitation area, as can be seen by comparing Nαl of the example and Nα9 of the example. However, evaluation of diamond film quality by Raman spectroscopy revealed that the film quality was slightly inferior due to the addition.

以上の結果から、本発明の特に好ましい実施響様は、 ■可燃性ガスとしてアセチレンガス、支燃性ガスとして
酸素カスを使用すること、 ■反応雰囲気中に水蒸気ガスを導入すること、■l O
To r rから760Torrの範囲で反応を行なう
こと、の■〜■であることがわかった。
From the above results, particularly preferred embodiments of the present invention are: (1) using acetylene gas as the flammable gas and oxygen scum as the combustion-supporting gas; (2) introducing water vapor gas into the reaction atmosphere; (1) l O
It was found that the reaction was conducted in the range of Torr to 760 Torr.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

通常、燃焼炎の1元性雰囲気を用いてダイヤモンドを合
成する手法は大気中で行うか、この場合、大気中の窒素
か析出ダイヤモンド中に取り込まれて非ダイヤモンド成
分の析出か多かったり、欠陥が多かったりする欠点かあ
った。本発明では燃焼炎発生用火口と基材間に電界を印
加し、プラズマを発生させ、真空排気可能な反応容器内
で窒素の混入を阻止し、且つ水蒸気等の酸素原子含有ガ
スを雰囲気中に添加することにより、高品質のダイヤモ
ンドを高速に大面積に合成することか可能となった。ま
た、長時間の安定合成も可能となり、再現性も向上する
Normally, the method of synthesizing diamond using the one-dimensional atmosphere of a combustion flame is carried out in the atmosphere, or in this case, nitrogen in the atmosphere is incorporated into the precipitated diamond, resulting in the precipitation of many non-diamond components or defects. There were many drawbacks. In the present invention, an electric field is applied between the combustion flame generation crater and the base material to generate plasma, prevent nitrogen from entering the reaction vessel that can be evacuated, and introduce oxygen atom-containing gas such as water vapor into the atmosphere. By adding it, it became possible to synthesize high-quality diamond over a large area at high speed. In addition, stable synthesis over a long period of time becomes possible, and reproducibility is improved.

本発明によるダイヤモンドは、高熱伝導性、低誘電性、
高透光性、高比弾性、高強度、耐摩耗性等を必要とする
分野、例えば切削工具、ボッディングツール、IC用基
板、振動板、X線・CO7窓材等各種窓材、耐環境素子
として提供されることが期待される。
Diamond according to the present invention has high thermal conductivity, low dielectric property,
Fields that require high light transmittance, high specific elasticity, high strength, wear resistance, etc., such as cutting tools, bodding tools, IC substrates, diaphragms, various window materials such as X-ray/CO7 window materials, and environmental resistance. It is expected that it will be provided as a device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図〜第4図は本発明に従い真空排気可能なベッセル
内でのダイヤモンド合成を行なう種々の実施態様を示す
概略説明図、第5図は本発明の大気を遮断した場合の燃
焼炎の状態を示す図、第6図は本発明の実施例、比較例
において得られたダイヤモンドのF/E値を求める方法
を説明するラマンスペクトル図である。第7図は一般的
な燃焼炎発生用火口の一例を示す概略図、第8図は一般
的な大気中ての燃焼炎を用いたダイヤモンド合成の概略
説明図である。
Figures 1 to 4 are schematic explanatory diagrams showing various embodiments of diamond synthesis in a vessel that can be evacuated according to the present invention, and Figure 5 shows the state of the combustion flame when the atmosphere is shut off according to the present invention. FIG. 6 is a Raman spectrum diagram illustrating a method for determining the F/E value of diamonds obtained in Examples and Comparative Examples of the present invention. FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a typical combustion flame generating crater, and FIG. 8 is a schematic illustration of diamond synthesis using a typical combustion flame in the atmosphere.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)可燃性ガスを支燃性ガスで燃焼させた燃焼炎の還
元性雰囲気を用い、ダイヤモンドを基材上に合成する方
法において、燃焼炎発生用火口と基材間に直流または交
流の電界が印加されることによりプラズマが発生してい
る状態で合成反応することを特徴とするダイヤモンドの
気相合成法。 (2)上記合成反応が真空排気可能な反応容器内で行わ
れ、該反応容器内の雰囲気中に燃焼炎発生用の上記支燃
性ガスとは別に酸素原子含有ガスが添加されていること
を特徴とする請求項(1)記載のダイヤモンドの気相合
成方法。 (3)上記真空排気可能な反応容器内の雰囲気中の上記
可燃性ガス(A)、上記支燃性ガス(B)、上記支燃性
ガスとは別に添加されている酸素原子含有ガス(C)の
モル比が、0.5<A/B<20 0.00001<C/A<0.1 なる条件を満足することを特徴とする請求項(2)記載
のダイヤモンドの気相合成方法。(4)上記反応容器内
の雰囲気中に支燃性ガスとは別に添加されている酸素原
子含有ガスが水蒸気であることを特徴とする請求項(2
)または(3)に記載のダイヤモンドの気相合成方法。 (5)上記真空排気可能な反応容器内の雰囲気が不活性
ガスを含むことを特徴とする請求項(2)または(3)
記載のダイヤモンドの気相合成方法。 (6)可燃性ガス(A)、支燃性ガス(B)、反応容器
内の雰囲気中に支燃性ガスとは別に添加されている酸素
原子含有ガス(C)、不活性ガス(D)のモル比が、 D<A+B+C なる条件を満足することを特徴とする請求項(5)記載
のダイヤモンドの気相合成方法。(7)添加する不活性
ガスがアルゴンガス、ヘリウムガス、クリトンガス、キ
セノンガス、 ラドンガスの1種または2種以上の混合ガスであること
を特徴とする請求項(5)または(6)記載のダイヤモ
ンドの気相合成方法。 (8)反応圧力が10Torr以上760Torr以下
であることを特徴とする請求項(1)ないし(7)のい
ずれかに記載のダイヤモンドの気相合成方法。
[Scope of Claims] (1) In a method for synthesizing diamond on a base material using a reducing atmosphere of a combustion flame obtained by burning a combustible gas with a combustion-supporting gas, A diamond vapor phase synthesis method characterized by a synthesis reaction in which plasma is generated by applying a direct current or alternating current electric field to the diamond. (2) The above synthesis reaction is carried out in a reaction vessel that can be evacuated, and an oxygen atom-containing gas is added to the atmosphere inside the reaction vessel in addition to the combustion supporting gas for generating combustion flames. The method for vapor phase synthesis of diamond according to claim (1). (3) The flammable gas (A), the combustion-supporting gas (B), and the oxygen atom-containing gas (C) added separately from the combustion-supporting gas in the atmosphere in the evacuated reaction vessel. 2. The method for vapor phase synthesis of diamond according to claim 2, wherein the molar ratio of 0.5<A/B<20 and 0.00001<C/A<0.1 is satisfied. (4) Claim (2) characterized in that the oxygen atom-containing gas added to the atmosphere in the reaction vessel separately from the combustion-supporting gas is water vapor.
) or the diamond vapor phase synthesis method described in (3). (5) Claim (2) or (3) characterized in that the atmosphere within the reaction vessel that can be evacuated contains an inert gas.
The method of vapor phase synthesis of diamond described. (6) Flammable gas (A), combustion-supporting gas (B), oxygen atom-containing gas (C) added to the atmosphere inside the reaction vessel separately from the combustion-supporting gas, and inert gas (D) The method for vapor phase synthesis of diamond according to claim 5, wherein the molar ratio of D satisfies the following condition: D<A+B+C. (7) The diamond according to claim (5) or (6), wherein the inert gas to be added is one or a mixture of two or more of argon gas, helium gas, Kryton gas, xenon gas, and radon gas. vapor phase synthesis method. (8) The method for vapor phase synthesis of diamond according to any one of claims (1) to (7), characterized in that the reaction pressure is 10 Torr or more and 760 Torr or less.
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