JPH0492889A - ダイヤモンドの合成方法 - 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］ 本発明はダイヤモンドの合成方法に関し、特に、高品質
のダイヤモンドを高速かつ高収率で合成しうるダイヤモ
ンドの合成方法に関する。

［従来の技術］ 近年、低圧気相中て行なうダイヤモンド合成方法として
種々の方法か開発されている。このうち、ダイヤモンド
の生成速度の速い方法として、熱プラズマを用いた高周
波プラズマ法あるいは直流アークプラズマ法か注目され
ている。

例えば、高周波プラズマ法としては１本願出願人か先に
特願平］−２７１１３：１号において提案した技術かあ
る。この方法は、第６図に示すように高周波コイルｌに
より発生する高周波をプラズマガス１５に作用させて発
生させた高周波プラズマ２中に、炭素源となる原料ガス
と含酸素ガスあるいは酸素ガス（燃焼ガス）とを、プラ
ズマの外周に接する接線に対し直角に配置（プラズマの
半径方向に放射状に配置）した複数のノズル９から導入
して、基板１４上にダイヤモンドを合成する方法である
。

また、直流アークプラズマ法としては、特開平１−１７
９７８９号て提案された技術かある。この方法は、第８
図に示すように、直流電源６により直流アーク放電用電
極７．７間にアーク放電を起させ、プラズマガス１５か
らプラズマジェット８を発生させるとともに、アーク放
電を不安定にさせる原料ガス１１についてはアーク放電
部を通過させることなく、該プラズマジェット開始端中
央１７に供給して基板１４上にダイヤモンドを合成する
方法である。

［発明か解決しようとした課Ｂ］ しかしながら、上述した従来のダイヤモンドの合成方法
には、次のような問題かある。

すなわち、特願平１−２７１１：１３号に開示されてい
る技術は、プラズマと原料ガスとの混合か不十分である
ため原料ガスの分解か不完全となり、収率か低く、また
品質面においてもダイヤモンド自形を有する高品質のダ
イヤモンド得ることかできないという問題かある。

なお、原料ガスの混合か不十分て原料ガスの分解か不完
全である様子は、Ｃ２の発光を利用して調べることかで
きる。すなわち、第７図（ａ）に示すようにプラズマ１
０の外周に接する接線に対し直角に原料ガス１１を導入
した場合、第７図（ｂ）に示すようにＣ８の発光領域１
２はノズル９の噴出口近辺でわずかに確認されるたけで
ある。このことから、原料ガスの分解量は非常に少なく
分解が不十分であることか判る。

また、特開平１−１７９７８９号に開示されている技術
は、プラズマジェット８に対し乎行に配置されたノズル
１８から原料ガス１１をプラズマジェット８中に供給し
ているか、ノズル１８の数か一本たけであるのて、プラ
ズマと原料ガスとの混合か不十分てあり、上記の高周波
プラズマ法と同様の問題を有する。

本発明は上述した問題点にがんかみてなされたものて、
高品質のダイヤモンドを高速かつ高収率て得ることのて
きるダイヤモンドの合成方法の提供を目的とした。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究した結
果、プラズマに原料ガスを供給するノズルの形状（特に
口径）、プラズマに対するノズルの方向およびノズルの
数かダイヤモンドの合成に重要な影響を与えることを見
出し本発明を完成させた。

［課題の解決手段］ すなわち、本発明のダイヤモンド合成方法は、高周波お
よび／または直流アーク放電によって形成されたプラズ
マの外側から、炭素源となる原料ガスをプラズマの外側
に沿って回転流れを生ずるように供給する構成としてあ
り、好ましくは、原料ガスに含酸素ガスを添加し、さら
に、プラズマの外周に接する接線に対し３０〜６０＠傾
けたノズルから原料ガスを供給して回転流れを生しさせ
るするようにしである。

また、必要に応じて、高周波によるプラズマ中に、炭素
源となる原料ガスと酸素ガスを導入して、不完全燃焼領
域を上記プラズマ中に形成し、基板にダイヤモンドを生
成させる構成としである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の合成方法においては、高周波および／または直
流アーク放電によってプラズマを発生させる。

高周波プラズマ法は、第１図に示すように高周波コイル
ｌて発生させた高周波によりプラズマ２を発生させる。

この場合、高周波プラズマ法と燃焼炎法とのハイブリッ
ト法によってプラズマを発生せしめてもよい、すなわち
、第２図に示すように多重の同軸管構造を有するバーナ
ー３からプラズマガス、原料ガス、含酸素、ガスを噴射
して燃焼炎４を形成し、同時に高周波コイルｌによって
熱プラズマフレーム５を形成せしめてもよい、この場合
、内炎４ａおよび外炎４ｂか形成され、内炎４ａか不完
全燃焼領域を形成する。

直流アークプラズマ法は、第３図に示すように、直流電
源６から直流アーク放電用電極７に電流を流してアーク
放電を起させ、プラズマガス１５をプラズマ化し、プラ
ズマジェット８を発生させるものである。

上記高周波プラズマ法および直流アークプラズマ法を併
用したハイブリッド法によってもプラズマを発生せしめ
ることかできる。この方法は、第４図に示すように直流
アーク放電を発生させる系と、高周波放電を発生させる
系の両方を有し、直流アーク放電と高周波とを同時の付
与してプラズマを発生させる方法であり、安定したプラ
ズマを得ることかてきる。

上記各プラズマ発生法に用いるプラズマガス１５として
は、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の不活性
ガスや窒素、水素等が用いられる。

次に、上記方法て形成されたプラズマ２（熱プラズマフ
レームおよびプラズマジェットを含む）の外側から、炭
素源となる原料ガス（反応ガス）１１をプラズマの外側
に沿って回転流れを生ずるように供給する。

原料ガスの供給は通常ノズルによって行なう。

ノズルの数は多くすることか好ましく、原料ガスの回転
流れを安定させるためには例えばへ〜十二本程度とした
ことか望ましい、また、ノズルの口径（穴径）は、小さ
い方か効果的てあり、例えば１〜２■■φとしたことか
望ましい。

ノズルの方向は、原料ガスかプラズマの外側に沿って回
転流れを生ずるように調整される。具体的には、第５図
（ａ）に示すようにプラズマｌＯの外周に接する接線Ａ
に対し角度αをつけて各ノズル９を配置する。角度αの
大きさは３０〜６０′″としたことか好ましい、このよ
うにプラズマに対して斜めに原料ガスを噴射すると、第
５図（ｂ）に示すように原料ガス１１はプラズマ１０の
外側に沿って回転流れＢを生ずるように流れる。そして
、原料ガスのガス流によってプラズマか乱されることな
く円錐状のフレームとなる。

Ｃ２の発光領域１２はフレームの外側全体を覆うように
観測され、かなりの量の原料ガスか分解していることか
判る。なお、原料ガスは拡散によってフレーム内部に入
っていくと考えられる。

一方、第７図（ａ）に示すようにプラズマに対して垂直
に原料ガスを噴射すると、ガス流か早いためにプラズマ
を乱してしまい、基板上に均一にフレームか当らず、そ
の結果ダイヤモンドは基板上のごく一部にしか合成され
ない。

各ノズルをプラズマに対して所定の角度で対置し、固定
させる方法としては、第５図（ａ）に示すようにフラン
ジ１３内に所定の角度を有するノズルを形成し、このフ
ランジ１３を装置に配設すればよい。

また、ノズル（またはフランジ）のプラズマの軸心方向
に沿っての配置位置は第１図および第３図に示すように
、プラズマ２の発生方法の相違によって異なり、高周波
プラズマ法の場合は基板近くに、直流アークプラズマ法
の場合はプラズマジェットの噴出口近くに配置される。

ノズルから供給される原料ガスとしては、メタン、エタ
ン、プロパン、ブタン、アセチレン、各種アルコール、
へロゲン化炭化水素、アミン、酸化炭素等のダイヤモン
ド合成用ガスか用いられる。

原料ガスには含酸素ガスを添加してもよい、含酸素ガス
としては、酸素、空気、二酸化炭素、水等が挙げられる
か、酸素が好ましい。

上述したプラズマにノズルから原料ガスを供給して生ず
る熱プラズマによって、基板１４上にダイヤモンドか形
成される。

なお、基板としては、モリブデン、シリコン。

炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、タン、ゲス
テン、タングステンカーバイド等か用いられる。

［実施例］ 以下、実施例にもとづき本発明をさらに詳細に説明する
。

及厳輿」 第１図に示した装置を用い、高周波法によってタイヤセ
ント合成を行なった。

まず、プラズマガスとしてアルゴンを１５Ｊ１　／ｓｉ
ｎで供給し、周波数１３．５６ＭＨｚ、高周波出力３Ｋ
Ｗの条件下でプラズマを発生させた。プラズマ発生後、
徐々に圧力を上げて、２００Ｔｏｒｒの熱プラズマとし
た。

次いで、プラズマの尾炎部に配設されたフランジ（ノズ
ル数八本、ノズルの傾きα＝４５°　、口径１１φ）か
ら原料ガスを供給し、基板上にダイヤモンドを合成した
。原料ガスとしては、プロパン（Ｃ３Ｈ６）　１．６Ｊ
１　／ｓｉｎと酸素（Ｏｓ）　２．ＯＪｌ　／ｗｉｎと
の混合ガスを使用した。また、基板には、ダイヤモンド
パウダーて表面の傷付処理をした大きさ２０ｍｍφのモ
リブデン（ＭＯ）基板を使用した。

この結果をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）て観察したとこ
ろ、基板−面にダイヤモンド自形を有する整った形状の
ダイヤモンドが析出していることが判明した。なお、生
成速度は、約５　ｇ　ｖｂ／ｈｒてあった。

ルＪＩＩ↓ 各ノズルの傾きかα＝０６であるフランジを用いた以外
は実施例１と同様にしてダイヤモンドの合成を行なった
。

その結果をＳＥＭで観察したところ、基板上に部分的に
ダイヤモンドか析出していることか判明した。その形状
はダイヤモンド自形を有さす、球状粒子に近いものてあ
った。

また、基板の周辺部分には部分的に熱分解炭素の析出か
認められた。このことは、プラズマ中への原料ガスの混
合か不十分てあり、原料ガスの分解か十分おこなわれて
いないことを示している。

実施例２ 第１図に示した装置を用い、高周波プラズマ法によって
ダイヤモンドの合成を行なった。

まず、プラズマガスとしてアルゴンを１５ｆＬ／議ｉｎ
の流量て入口１５から供給し、周波数１：１．５６ＭＨ
ｚ。

高周波出力１５ＫＷの条件下てプラズマを発生させた。

プラズマ発生後、徐々に圧力を上げて、２００Ｔｏｒｒ
の熱プラズマとした。

次いて、プラズマの尾炎部に配設されたフランジ（ノズ
ル数八本、ノズルの傾きα＝４５′″　、口径１■φ）
から原料ガスを供給し、基板上にダイヤモンドを合成し
た。原料ガスとしては、プロパン（ＣＪａ）　１ｆＬ／
ｓｉｎと水素（ｌｂ）　４１　／ｓｉｎとの混合ガスを
使用した。また、基板には、ダイヤモンドパウダーで表
面の傷付処理をした大きさ２０纏■φのモリブデン（Ｉ
ｌｏ）基板を使用した。

この結果、基板−面にダイヤモンド自形を有する整った
形状のダイヤモンドが析出した。その生成速度は、２終
−／ｈｒであった。

え惠勇１ 第３図に示した装置を用い、直流アークプラズマ法によ
りダイヤモンドの合成を行なった。

まず、プラズマガスとして最初にアルゴンを２０１／ｗ
ｉｎの流量で供給し、ＤＣ出カフ、２ＫＷの条件下てプ
ラズマを発生させた。プラズマ発生後、水素（Ｈ２）を
徐々に加えていきその流量を１５１／ｓｉｎとし、同時
に圧力も２００Ｔｏｒｒまて上げた。

次いて、プラズマの尾炎部に配設されたフランジ（ノズ
ル数八本、ノズルの傾きα＝４５°　、口径１鳳１φ）
から原料ガスを供給し、基板上にダイヤモンドを合成し
た。原料ガスとしては、プロパン（ｃ、ｏ、）　３１／
■ｉｎを使用した。また、基板には、ダイヤモンドパウ
ダーて表面の傷付処理をした大きさ２０ｍｍφのモリブ
デン（ＭＯ）基板を使用した。

この結果、基板−面にダイヤモンド自形を有する整った
形状のダイヤモンドか析出した。その生成速度は、１５
０μ−／ｈｒてあった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、高純度で高品質の
ダイヤモンドを高速で合成てきる。

また、原料ガスかプラズマと十分混合され、かつ、完全
に分解されるため、高収率てダイヤモンドを合成てき、
したかって、コストの低減を図ることかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に用い・る高周波プラズマ装置の一
例を示す模式的断面図、第２図は同しく高周波−燃焼炎
装置の一例を示す模式的断面図、第３図は同しく直流ア
ークプラズマ装置の一例を示す模式的断面図、第４図は
同しく高周波−直流アークプラズマ装置の一例を示す模
式的断面図、第５図（ａ）および（ｂ）は同じく原料ガ
ス供給部を示す平面図および正面図、第６図は従来の高
周波プラズマ法の一例を示す模式的断面図、第７図（ａ
）および（ｂ）は同じ〈従来の原料ガス供給部を示す平
面図および正面図、第８図は従来の直流アークプラズマ
法の一例を示す模式的断面図である。 高周波コイル バーナ 熱プラズマフレーム 直流アーク放電用電極 プラズマジェット ノズル　　　　　１０ ：原料ガス　　　１２ フランジ　　　１４ ：プラズマガス　１６ ２：プラズマ ４：燃焼炎 ６：直流電源 ：プラズマ 二０２発光領域 二基板 ：高周波電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波および／または直流アーク放電によって形
   成されたプラズマの外側から、炭素源となる原料ガスを
   プラズマの外側に沿って回転流れを生ずるように供給す
   ることを特徴としたダイヤモンドの合成方法。
2. （２）前記原料ガスに含酸素ガスを添加することを特徴
   とした請求項１記載のダイヤモンドの合成方法。
3. （３）前記原料ガスをプラズマの外周に接する接線に対
   し３０〜６０°傾けたノズルから供給して回転流れを生
   じさせることを特徴とした請求項１記載のダイヤモンド
   の合成方法。
4. （４）高周波によるプラズマ中に、炭素源となる原料ガ
   スと酸素ガスを導入して、不完全燃焼領域を上記プラズ
   マ中に形成し、基板にダイヤモンドを生成させることを
   特徴とした請求項１記載のダイヤモンドの合成方法。