JPH05139890A - ダイヤモンド膜接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ダイヤモンド膜の形成が困難な基体上に、密着
力の高い広面積のダイヤモンド膜を形成する。 【構成】ダイヤモンド成膜に適した仮基板上に切れ目を
伴うダイヤモンド膜を形成し、この仮基板付着状態のダ
イヤモンド膜の表面側を基体上にロウ付けした後、仮基
板を除去する。 【効果】高温下で行われるダイヤモンド膜の基体へのロ
ウ付けの後、冷却過程において基体とダイヤモンド膜と
の熱膨張率差に由来する圧縮応力がダイヤモンド膜に生
じるが、ダイヤモンド膜中の切れ目がこれを吸収するた
め、上記圧縮応力によるダイヤモンド膜の密着力の低下
が防止される。このため、広面積のダイヤモンド膜を接
合することも可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド膜接合体の
製造方法に関し、さらに詳しくは、工具、摺動材料等の
基体上にダイヤモンド膜を形成するに当たり、予め仮基
板上に気相合成法によって形成したダイヤモンド膜を反
転状態で前記基体上にロウ付けするダイヤモンド膜接合
体の製造方法であって、そのロウ付け工程で生じるダイ
ヤモンド膜と基体との密着力不足等の不具合をなくする
ための改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは極めて硬く、優れた耐摩
耗性を有するとともに、摩擦係数が低いという特性を有
するため、摺動材料や切削工具等の表面に気相合成によ
ってダイヤモンドコーティングを行う試みが従来からな
されてきた。

【０００３】しかし現在のところ、摺動材料や切削工具
等の一般普及材である鉄系鋼材の表面にダイヤモンド膜
を析出させる試みは、カーボンが鉄系鋼材中に拡散して
しまうため、必ずしも成功していない。また、モリブデ
ン、タングステン、炭化タングステンやセラミックス等
の基材上にはダイヤモンドが析出可能であるが、基材に
対する密着力が弱い。

【０００４】そこで、例えば特開平１−１５３２２８号
公報には、シリコン等からなる仮の析出基板上にダイヤ
モンド膜を析出させ、仮の析出基板を付けたまま該ダイ
ヤモンド膜を表面側から工具基体上にロウ付けした後、
研磨加工等によって仮の析出基板を除去する気相合成ダ
イヤモンド工具の製造法が提案されている。この方法に
よれば、鉄系鋼材、モリブデン、タングステン、炭化タ
ングステンあるいはセラミックス等からなる基体上に、
接合という手段によって、ダイヤモンド膜を形成させる
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ダイヤモンド
の熱膨張率は鉄系鋼材やモリブデン等に比べて小さく、
しかもロウ付けは通常７００°Ｃ程度、あるいはそれ以
上の高温下で行われるので、ロウ付け後の冷却時に大き
な圧縮応力がダイヤモンド膜中に生じる。このため、上
記従来技術の方法ではダイヤモンド膜が基体から剥離し
易く、また、かかる不具合を避けるためには、圧縮応力
の増大を避ける観点からダイヤモンド膜の形成面積を小
さくせざるを得ないという問題があった。

【０００６】そこで本発明は、ダイヤモンド膜のロウ付
けによる接合の際に生じる圧縮応力を低減することによ
って、密着力が高く、しかも広い面積を有するダイヤモ
ンド膜を形成し得るようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（発明の構成）上記の課題を解決するための本発明の構
成は、ダイヤモンド成膜に適した仮基板上に切れ目を伴
うダイヤモンド膜を形成し、この仮基板付着状態のダイ
ヤモンド膜の表面側を基体上にロウ付けした後、仮基板
を除去するダイヤモンド膜接合体の製造方法である。

【０００８】（発明の実施態様）本発明において、仮基
板上へのダイヤモンド成膜には、気相合成法をはじめと
する公知の任意の方法を用いることができる。例えば、
熱フィラメント法、アークプラズマ法、ＤＣプラズマ
法、高周波プラズマ法、マイクロ波プラズマ法、燃焼炎
法、スパッター法、イオンプレーティング法等である。

【０００９】ダイヤモンド成膜に適した仮基板として
は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等のセラミックスやＭｏ、ＷＣ等からな
るものを用いることもできるが、広面積の成膜が可能で
あること、表面が平滑であること等の条件を重視する場
合にはＳｉ製の仮基板が望ましい。仮基板の全体形状
は、ダイヤモンド膜を接合しようとする基体の表面形状
に合うように設定すれば良い。基体の表面形状が曲面又
は角面等の特殊なものであるときは、その形状を型に取
り、この型にあわせて仮基板を形成すれば良い。これら
の仮基板は、ロウ付け後の冷却の際にダイヤモンド膜に
生ずる圧縮応力に強力に抵抗するものでは不具合があ
り、よってその破壊強度やダイヤモンド膜との接合力に
配慮した方が良い。

【００１０】仮基板上に切れ目を伴うダイヤモンド膜を
形成する方法として、第一に、仮基板上の切れ目を形成
すべき部位の結晶核発生密度を抑えたり、それ以外の部
位の結晶核発生密度を高めたりする手法がある。例え
ば、仮基板の表面をダイヤモンド粉末で傷つけ処理する
と結晶核の発生密度が高まるが、その後切れ目を形成す
べき部位のみイオンやレーザーを照射すると、これらの
部位にはダイヤモンドは析出しなくなる。また、傷つけ
処理していない仮基板上にダイヤモンド微粉末を配置す
ると、その微粉末上にダイヤモンドが選択的に析出する
ので、予め切れ目を有するような分布パターンでダイヤ
モンド微粉末を仮基板上に配置しておく方法もある。

【００１１】仮基板上に切れ目を伴うダイヤモンド膜を
形成する方法として、第二に、普通に成膜させたダイヤ
モンドにスパッタエッチング等を施して切れ目を形成す
る手法がある。例えば、仮基板上に均一な厚さでダイヤ
モンド成膜を行った後にマイクロスパッタリングを施す
と、μｍオーダーの深さでマイクロエッチングができ、
切れ目を刻印できる。また、成膜したダイヤモンドの表
面における切れ目を形成すべき部位に沿ってイオン照射
し非晶質化した後、酸素や水素によるガスエッチング等
で非晶質部を除去することができる。

【００１２】仮基板上に切れ目を伴うダイヤモンド膜を
形成する方法は、その他にも、酸素や水素等のガスない
しは王水等の酸化性の溶液によるエッチングを行い、図
１に示すように針状ダイヤモンド１の集合体を仮基板２
上に形成して、結果的に個々の針状ダイヤモンド１の間
に切れ目３を形成する等種々の手法を用いることができ
る。

【００１３】ダイヤモンド膜に形成する切れ目の深さや
幅、切れ目の分布密度や分布パターン等は本発明の具体
的な実施条件に応じて任意かつ自由に決定されるべきも
のであり、一律に限定することはできない。

【００１４】ダイヤモンド膜に形成する切れ目の深さに
ついては、通常は図２に示すようにダイヤモンド膜４の
表面から底面（仮基板２の面）に至る深さの切れ目３が
考えられるが、図３に示すように、ダイヤモンド膜４の
表面から一定の深さに形成されるに止まり、底面に至ら
ない深さの切れ目３が形成されている場合も有効であり
得る。図３に示す切れ目３は、イオン照射によりダイヤ
モンド膜の表面近傍だけを非晶質化し、この部分をエッ
チングして取り除く等の方法で形成できる。

【００１５】ダイヤモンド膜に形成する切れ目の幅につ
いては、それぞれの切れ目の幅の総計が、ロウ付け後の
冷却時におけるダイヤモンド膜と基体との冷却収縮量の
差を埋め合わせるように設定されていることが最適であ
るが、必ずしもこのような幅に正確に設定されていなく
ても良い。個々の切れ目の望ましい幅については、切れ
目の数、ダイヤモンドの成膜面積、ダイヤモンド膜の厚
さ、基体の熱膨張率等に対応して異なるため、一律に規
定できない。ごく一般的には個々の切れ目の幅は１００
μｍ以下が望ましいが、これ以上であってもダイヤモン
ド膜の有効な接合は可能である。切れ目の幅があまりに
大きいと、ロウ付け後の冷却過程が終わっても比較的大
きな切れ目が残されることとなり、基体の用途によって
は好ましくない。

【００１６】ダイヤモンド膜に形成する切れ目の分布密
度については、上記した個々の切れ目の幅との関連で相
対的に決まるものであるため、一律に限定することがで
きない。

【００１７】ダイヤモンド膜に形成する切れ目の分布パ
ターンについては、例えば、前記図１に示したもののほ
か、図４に示すように六角形状の切れ目３を設けたり、
図５に示すように格子形状の切れ目３を設けたり、その
他の任意の規則的な又は不規則なパターンを形成させる
ことができる。図４に示す六角形状の切れ目３を設けた
場合は、図５に示す格子形状の切れ目３を設けた場合に
比し、各ダイヤモンドブロック（切れ目３により区画さ
れるダイヤモンド膜のブロック）における中心からエッ
ジまでの距離のばらつきが小さく、応力分布がより小さ
くなる。

【００１８】ダイヤモンド膜を接合する基体としては、
ロウ付けを受け付ける材料である限り、基本的には制約
がない。例えば、ＭｏやＷ等の純金属，一般鋼材，ステ
ンレス等の金属基体、酸化物系，窒化物系，炭化物系等
のセラミックス基体を使用できる。

【００１９】ロウ付けは、基体表面に溶融ロウ材を介在
させてダイヤモンド膜の表面側を押しつけ、両者を接合
するという通常の方法で行うことができる。

【００２０】ダイヤモンド膜に付着した仮基板の除去は
研磨等の機械的手段の他、化学的手段によっても可能で
ある。これにより、基板の平滑度を反映した平滑なダイ
ヤモンド膜表面を得ることができる。仮基板の除去工程
は、ロウ付け後の冷却が完了する前に行っても良く、仮
基板の強度性等より支障がない場合には冷却の完了後に
行っても良い。

【００２１】

【作用】次に、本発明の作用を、図６に示す簡略化した
工程図に沿って説明する。

【００２２】即ち、まず、ダイヤモンド成膜に適した仮
基板２上に切れ目３を有するダイヤモンド膜４を上記の
各種の手法により形成する。

【００２３】次いで、矢印Ａで示すロウ付け工程におい
て、この仮基板２付着状態のダイヤモンド膜４を反転さ
せて、ロウ材５により基体６上にロウ付けする。このロ
ウ付けは高温で行われるため、ロウ付け後の冷却の際、
金属等からなる基体６とダイヤモンド膜４との熱膨張率
差に由来する圧縮応力がダイヤモンド膜４中に生じる。
しかし、ダイヤモンド膜４中には切れ目３が存在するこ
とから、仮基板２の破壊又は剥離のもとに、ダイヤモン
ド膜４は切れ目３を狭めることによって圧縮応力を吸収
する。従って、ダイヤモンド膜４は基体６から剥離せ
ず、密着力が高い。

【００２４】そして、矢印Ｂで示す仮基板除去工程にお
いて、仮基板２を研磨等により除去する。この結果、ダ
イヤモンド膜４は切れ目３が実質的に塞がり、しかも仮
基板２の面に倣った平坦な表面に仕上がる。

【００２５】以上の作用は、仮基板上に形成されたダイ
ヤモンド膜４が適切に切れ目３を伴う限り、ダイヤモン
ド膜４の成膜面積の大小に関わらず起こることである。
従って、本発明の方法により広面積のダイヤモンド膜の
接合体を製造しても、やはりダイヤモンド膜の密着力は
高い。

【００２６】切れ目３が図３に示す状態に形成されてい
る場合でも、同様の効果を期待することができる。

【００２７】

【効果】本発明のダイヤモンド膜接合体の製造方法によ
れば、基体に対する広面積のダイヤモンド被覆が可能に
なり、しかもそのダイヤモンド膜の接合強度が大きいた
め剥離し難い。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）２０ｍｍ角のＳｉ製仮基板の表面をダイヤ
モンド粉末で傷つけ処理した後、フォトレジストにより
マスキングし、室温下、前記図５に示したような格子状
となるようにＡｒイオン照射した。その照射エネルギー
は４００ｋｅＶ、照射量は１×１０¹⁶ions／cm² とし
た。格子の線幅（切れ目の幅）は２０μｍ、ダイヤモン
ドブロック（格子の１マス）は２ｍｍ角になるようにし
た。

【００２９】フォトレジストを取り除いた後、Ｓｉ製仮
基板を真空チャンバー内に導入し、熱フィラメント法に
よりダイヤモンドを成膜した。その条件は、基板温度を
７５０°Ｃ、反応圧力を５０Ｔｏｒｒとし、メタン及び
水素からなる混合ガスをメタン１ｍｌ／ｍｉｎ、水素２
００ｍｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー内に導入し、１０
０時間成膜した。ダイヤモンド膜の膜厚は約１００μｍ
であった。

【００３０】上記のダイヤモンド膜を、真空中、７５０
°Ｃの条件下、その表面側から２０ｍｍ角×３ｍｍｔの
ＳＵＳ３０４の基体表面にロウ付けし、冷却後、Ｓｉ製
仮基板を研磨して除去した。

【００３１】本実施例のダイヤモンド膜接合体では、ロ
ウ付け後にダイヤモンド膜の剥離やダイヤモンド膜上の
クラックは認められなかった。また、押込み荷重１００
ｋｇでロックウエル圧子を圧入してもダイヤモンド膜の
剥離は観察されなかった。

【００３２】（比較例１）実施例１と同条件で切れ目を
有しないダイヤモンド膜を仮基板上に成膜し、かつ基体
上にロウ付けした後、仮基板を除去した。本比較例のダ
イヤモンド膜接合体では、ロウ付け後の冷却過程でダイ
ヤモンド膜が剥離したり、ダイヤモンド膜にクラックが
生じる場合があった。また、かかる不具合を生じていな
い例について押込み荷重２５ｋｇでロックウエル圧子を
圧入したところ、ダイヤモンド膜が剥離した。

【００３３】（実施例２）真空チャンバー内に４０ｍｍ
角のＳｉ基板を導入し、マイクロ波プラズマ法によりダ
イヤモンドを成膜した。基板温度を７５０°Ｃ、反応圧
力を４０Ｔｏｒｒとし、水素で希釈したメタン濃度３％
の反応ガスを１００ｍｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー内
に導入し、約３０μ厚のダイヤモンドを成膜した。この
ダイヤモンド膜を圧力２０Ｔｏｒｒの酸素ガスでエッチ
ングして前記図１に示したような針状ダイヤモンドの集
合体とした。個々の針状ダイヤモンドの径は２〜４μ
ｍ、それらの間の切れ目は０．３〜１μｍであった。

【００３４】上記のダイヤモンド膜を、Ａｒガス中、７
５０°Ｃの条件下、その表面側から５０ｍｍ径×３ｍｍ
ｔのＳＵＳ３０４の基体表面にロウ付けし、冷却後、Ｓ
ｉ製仮基板を研磨して除去した。本実施例のダイヤモン
ド膜接合体では、ロウ付け後にダイヤモンド膜の剥離や
ダイヤモンド膜上のクラックは認められなかった。こう
して、広面積で密着力の大きいダイヤモンド被覆面を得
ることができた。

【００３５】（比較例２）実施例２と同条件でダイヤモ
ンド膜を仮基板上に成膜し、ガスエッチングを行うこと
なく基体上にロウ付けした。本比較例のダイヤモンド膜
接合体では、ロウ付け後の冷却過程でダイヤモンド膜が
剥離し、密着力の評価に至らなかった。

【００３６】（実施例３）１５ｍｍ×６ｍｍのＳｉ製仮
基板上に実施例１と同様の熱フィラメント法により２０
μｍ厚のダイヤモンド膜を成膜し、この膜上に２００°
Ｃで８００ｋｅＶのＡｒイオンを２×１０¹⁷ions／cm²
照射し、前記図５に示したような格子状のパターンで切
れ目となるべき部分のダイヤモンドを非晶質化した。格
子の線幅は１００μｍ、ダイヤモンドブロックの一辺は
３ｍｍとした。次に、エッチングガスとして水素を用
い、圧力２０Ｔｏｒｒで非晶質部をエッチングした。

【００３７】上記のイオン照射−エッチングのプロセス
を１０回繰り返し、深さ４μｍの切れ目を形成した。こ
の仮基板付きダイヤモンド膜を、実施例１と同様の真空
中で、１５ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍｔのＳＡＥ ０１ブ
ロックにロウ付けして接合した後、仮基板を研磨して除
去した。

【００３８】本実施例のダイヤモンド膜接合体にはダイ
ヤモンド膜の剥離やダイヤモンド膜上のクラックは認め
られなかった。また、本実施例のダイヤモンド膜接合体
の摺動特性を評価するため、無潤滑下でＳＡＥ ４６２
０リング相手にＬＦＷ摩擦摩耗試験を行った。リングの
回転速度を２００ｒｐｍとし、荷重を段階的に上げてい
ったところ、ダイヤモンド膜接合体とＳＡＥ ４６２０
リングとの摩擦係数は荷重２００ｋｇｆまで０．１程度
であり、ダイヤモンド膜の剥離は見られず、リングの摩
耗も少なかった。これにより、本発明のダイヤモンド膜
接合体は摺動材料に応用可能であることを確認した。

【００３９】（比較例３）実施例３と同じ要領でダイヤ
モンド膜を成膜し、イオン照射−エッチングのプロセス
を行うことなく、ダイヤモンド膜を前記のＳＡＥ０１ブ
ロックに接合した後、仮基板を研磨して除去した。

【００４０】本比較例のダイヤモンド膜接合体について
実施例３と同一の摺動特性評価を行ったところ、荷重１
００ｋｇｆでダイヤモンド膜の剥離が生じ、摩擦係数が
０．８まで急激に上昇するとともに、リングが著しく摩
耗した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 針状ダイヤモンドの集合体からなるダイヤモ
ンド膜を部分破断して示す斜視図

【図２】 ダイヤモンド膜の切れ目の一例を部分破断し
て示す断面図

【図３】 ダイヤモンド膜の切れ目の他の例を部分破断
して示す断面図

【図４】 ダイヤモンド膜の切れ目のパターンの一例を
部分破断して示す平面図

【図５】 ダイヤモンド膜の切れ目のパターンの他の例
を部分破断して示す平面図

【図６】 本発明の作用を説明するための簡略化した工
程図

【符号の説明】 １ 針状ダイヤモンド ２ 仮基板 ３ 切れ目 ４ ダイヤモンド膜 ５ ロウ材 ６ 基体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンド成膜に適した仮基板上に切
   れ目を伴うダイヤモンド膜を形成し、この仮基板付着状
   態のダイヤモンド膜の表面側を基体上にロウ付けした
   後、仮基板を除去することを特徴とするダイヤモンド膜
   接合体の製造方法。