JPH0723279B2 - ダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents
ダイヤモンド膜の製造方法Info
- Publication number
- JPH0723279B2 JPH0723279B2 JP10152286A JP10152286A JPH0723279B2 JP H0723279 B2 JPH0723279 B2 JP H0723279B2 JP 10152286 A JP10152286 A JP 10152286A JP 10152286 A JP10152286 A JP 10152286A JP H0723279 B2 JPH0723279 B2 JP H0723279B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diamond
- film
- diamond film
- nucleation
- gas
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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膜の製造方法に関し、より詳細に
は、核発生密度を高め、高速にダイヤモンド膜を成長さ
せ得るダイヤモンド膜の製造方法に関する。
は、核発生密度を高め、高速にダイヤモンド膜を成長さ
せ得るダイヤモンド膜の製造方法に関する。
〔従来技術〕 近年、ダイヤモンドは高価な装置を利用して超高圧、超
高温下で合成されるようになったが、他方、高硬度並び
に耐摩耗性に優れた切削部材や耐摩耗部材など、更に広
範な用途に答えると共に、効率的にダイヤモンドを合成
するために化学気相合成法が研究されている。
高温下で合成されるようになったが、他方、高硬度並び
に耐摩耗性に優れた切削部材や耐摩耗部材など、更に広
範な用途に答えると共に、効率的にダイヤモンドを合成
するために化学気相合成法が研究されている。
この化学気相成法は、炭素含有ガスと水素との混合ガス
を反応槽内に導入し、電子線照射、高周波、マイクロ波
等によりプラズマを発生させて炭素含有ガスを、活性状
態にしてプラズマを発生させて加熱された基板上にダイ
ヤモンドを析出させる方法である。
を反応槽内に導入し、電子線照射、高周波、マイクロ波
等によりプラズマを発生させて炭素含有ガスを、活性状
態にしてプラズマを発生させて加熱された基板上にダイ
ヤモンドを析出させる方法である。
このような気相成長法によって、平滑な基板表面にダイ
ヤモンド膜が生成される過程としては、初期において基
体表面に微細なダイヤモンド核が島状に発生し、その核
を中心にダイヤモンドが成長し、隣接する隣同志が重な
り合って、最終的にダイヤモンド膜が形成される。
ヤモンド膜が生成される過程としては、初期において基
体表面に微細なダイヤモンド核が島状に発生し、その核
を中心にダイヤモンドが成長し、隣接する隣同志が重な
り合って、最終的にダイヤモンド膜が形成される。
従来の膜生成では、初期における核発生に際し、時間を
要し、しかも発生した核の密度が小さく、不均一なため
に膜状に成長する段階で膜の厚みが不均一となり易く、
緻密な膜が得難いため、膜強度が低く、切削工具等に用
いた場合、寿命が短い等の問題があった。
要し、しかも発生した核の密度が小さく、不均一なため
に膜状に成長する段階で膜の厚みが不均一となり易く、
緻密な膜が得難いため、膜強度が低く、切削工具等に用
いた場合、寿命が短い等の問題があった。
本発明は前述の問題点を解消することを目的とするもの
で、詳細には初期の核発生を短時間で且つ高密度に発生
させ、それによってダイヤモンドの成長速度を速め、均
一で緻密なダイヤモンド膜を得るための製造方法を提供
することを目的とするものである。
で、詳細には初期の核発生を短時間で且つ高密度に発生
させ、それによってダイヤモンドの成長速度を速め、均
一で緻密なダイヤモンド膜を得るための製造方法を提供
することを目的とするものである。
本発明によれば、ダイヤモンド膜の製造工程を核生成工
程と膜生成工程に分けるとともに、前記核生成工程にお
ける水素ガスに対する炭素含有ガスの比率が膜生成工程
よりも大となる条件で製造することによって上記目的が
達成される。
程と膜生成工程に分けるとともに、前記核生成工程にお
ける水素ガスに対する炭素含有ガスの比率が膜生成工程
よりも大となる条件で製造することによって上記目的が
達成される。
以下、本発明を詳述する。
ダイヤモンドの気相合成法における基板表面での反応機
構は原料ガスの分解、SP3結晶の凍結、SP3結晶以
外の除去の３つの反応から成ると考えられる。高純度の
高品質のダイヤモンド膜を形成させるためには上記の反
応のうち、SP3結晶の除去、即ち、エッチング反応を
強くする必要がある。しかし、エッチング反応が強いと
初期におけるダイヤモンドの核の生成率、および核の残
存率は極端に低下し、基板表面をダイヤモンド膜で占有
するまでに長時間を要することになる。
構は原料ガスの分解、SP3結晶の凍結、SP3結晶以
外の除去の３つの反応から成ると考えられる。高純度の
高品質のダイヤモンド膜を形成させるためには上記の反
応のうち、SP3結晶の除去、即ち、エッチング反応を
強くする必要がある。しかし、エッチング反応が強いと
初期におけるダイヤモンドの核の生成率、および核の残
存率は極端に低下し、基板表面をダイヤモンド膜で占有
するまでに長時間を要することになる。
その理由としてある一定の成膜条件で、終始膜生成を行
う場合、基板表面に当初から核剤の存在する場所では、
乃至の反応によってダイヤモンドが生成されるが、
まったく核剤が存在しない場所では、SP3結晶以外また
は臨界サイズ以下の核は生成されてものエッチング反
応により生成、消滅が繰り返されるだけで新たな核の発
生が非常に困難となり、結果としてダイヤモンド膜が生
成され難くなる。
う場合、基板表面に当初から核剤の存在する場所では、
乃至の反応によってダイヤモンドが生成されるが、
まったく核剤が存在しない場所では、SP3結晶以外また
は臨界サイズ以下の核は生成されてものエッチング反
応により生成、消滅が繰り返されるだけで新たな核の発
生が非常に困難となり、結果としてダイヤモンド膜が生
成され難くなる。
そこで、本発明によれば、炭素含有ガスと水素ガスとの
混合ガスを500乃至1300℃に加熱した基板表面に導入し
て、基板上に核を均一に且つ高密度で生成させる核生成
工程と、生成した核から高品質のダイヤモンドを成長さ
せ、ダイヤモンド膜を生成させる膜生成工程の２つの条
件の異なる工程に分けることが重要である。核生成工程
における核発生効率を高める条件としては、前述した見
解から、核発生条件がの炭素含有ガスの分解速度と
のエッチング速度によって決定されることから、（炭素
含有ガス／水素ガス）混合比を高品質のダイヤモンドを
生成させる膜生成工程における混合比よりも大きくなる
ように設定し、の分解量をのエッチング速度よりも
上回るように設定する。それにより、核発生効率は十分
に高められ、核発生速度も向上する。この条件にて基板
上に層を成す如く均一に核を生成させる。生成された核
には、SP2結合構造のもの、SP3結合構造のもの等が複合
体として含まれる。
混合ガスを500乃至1300℃に加熱した基板表面に導入し
て、基板上に核を均一に且つ高密度で生成させる核生成
工程と、生成した核から高品質のダイヤモンドを成長さ
せ、ダイヤモンド膜を生成させる膜生成工程の２つの条
件の異なる工程に分けることが重要である。核生成工程
における核発生効率を高める条件としては、前述した見
解から、核発生条件がの炭素含有ガスの分解速度と
のエッチング速度によって決定されることから、（炭素
含有ガス／水素ガス）混合比を高品質のダイヤモンドを
生成させる膜生成工程における混合比よりも大きくなる
ように設定し、の分解量をのエッチング速度よりも
上回るように設定する。それにより、核発生効率は十分
に高められ、核発生速度も向上する。この条件にて基板
上に層を成す如く均一に核を生成させる。生成された核
には、SP2結合構造のもの、SP3結合構造のもの等が複合
体として含まれる。
次に膜生成工程では、SP3結合以外の核はのエッチン
グ反応によって消滅し、純粋なダイヤモンドのみが成長
し、最終的にダイヤモンド膜が形成される。
グ反応によって消滅し、純粋なダイヤモンドのみが成長
し、最終的にダイヤモンド膜が形成される。
本発明において用いられる炭素含有ガスとしては、CH4,
C2H2 C2H4,C3H6等の炭素水素、C2H5OH,CH3OH等のアルコ
ール、CH3CHO,C2H5CHO等のアルデヒド、(CH3)2CO等のケ
トン、CH3OCH3等のエーテルが用いられる。
C2H2 C2H4,C3H6等の炭素水素、C2H5OH,CH3OH等のアルコ
ール、CH3CHO,C2H5CHO等のアルデヒド、(CH3)2CO等のケ
トン、CH3OCH3等のエーテルが用いられる。
また、本発明の膜生成工程における（炭素含有ガス／水
素ガス）混合比率は用いる炭素含有ガスによって異なる
が、流速比でおよそ0.005乃至0.5、特に0.01乃至0.3が
好ましく、核発生工程における混合比率は上記の範囲内
で設定される混合比率よりも0.02乃至0.1大きい混合比
が望ましい。
素ガス）混合比率は用いる炭素含有ガスによって異なる
が、流速比でおよそ0.005乃至0.5、特に0.01乃至0.3が
好ましく、核発生工程における混合比率は上記の範囲内
で設定される混合比率よりも0.02乃至0.1大きい混合比
が望ましい。
本発明における製造方法によれば、核生成工程、膜生成
工程を行う前に、前処理として、基板表面の洗浄を目的
としてAr等の不活性ガスを導入し、プラズマを発生さ
せ、洗浄することが望ましい。
工程を行う前に、前処理として、基板表面の洗浄を目的
としてAr等の不活性ガスを導入し、プラズマを発生さ
せ、洗浄することが望ましい。
本発明を以下の例で説明する。
実施例として反応槽に基体としてシリコンを設置し、基
体温度900℃、マイクロ波出力350W、内部圧力7.5KPaの
条件下でArガスを10分間導入して基体表面のプラズマ洗
浄を行った。その後、核生成工程としてCH4ガスを5cc/m
in、H2ガスを100cc/minの流速で導入して10分間核生成
を行った。次にCH4ガスを3cc/min、H2ガスを100cc/min
の流速に変更して、５時間反応を行いダイヤモンド膜を
形成した。
体温度900℃、マイクロ波出力350W、内部圧力7.5KPaの
条件下でArガスを10分間導入して基体表面のプラズマ洗
浄を行った。その後、核生成工程としてCH4ガスを5cc/m
in、H2ガスを100cc/minの流速で導入して10分間核生成
を行った。次にCH4ガスを3cc/min、H2ガスを100cc/min
の流速に変更して、５時間反応を行いダイヤモンド膜を
形成した。
また比較例１として、核生成工程を除く以外はまったく
同じ条件で反応を行った。
同じ条件で反応を行った。
これら２つの実験例での反応時間に対する基板表面のダ
イヤモンド占有率、および膜厚を測定し、これらの関係
を第１図（本発明）、第２図（比較例）に示した。
イヤモンド占有率、および膜厚を測定し、これらの関係
を第１図（本発明）、第２図（比較例）に示した。
第１図から明らかなように、核生成工程を設けた本発明
の方法よれば、極めて短時間で基板表面の全域に亘り、
ダイヤモンド膜が生成され、５時間経過後、約25μｍの
均質なダイヤモンド膜が生成でき、成長速度約５μm/hr
が達成できた。
の方法よれば、極めて短時間で基板表面の全域に亘り、
ダイヤモンド膜が生成され、５時間経過後、約25μｍの
均質なダイヤモンド膜が生成でき、成長速度約５μm/hr
が達成できた。
一方、第２図に示すように終始生成工程のみで行った結
果によれば、基板表面での核発生効率が極めて悪く、占
有率−反応時間との関係では緩やかな曲線を描き、５時
間経過後も占有率は100％には至らなかった。しかも、
５時間後の膜厚は約10μｍであって、成長速度約２μm/
hrしか達成されなかった。また膜質もダイヤモンドの結
晶粒子が島状に分散し、不均一なダイヤモンド膜が生成
された。
果によれば、基板表面での核発生効率が極めて悪く、占
有率−反応時間との関係では緩やかな曲線を描き、５時
間経過後も占有率は100％には至らなかった。しかも、
５時間後の膜厚は約10μｍであって、成長速度約２μm/
hrしか達成されなかった。また膜質もダイヤモンドの結
晶粒子が島状に分散し、不均一なダイヤモンド膜が生成
された。
さらに比較例２として実施例における核発生工程の条件
のまま、５時間反応を行ったところ、ほぼ第１図と同様
の曲線を描いたが膜質がダイヤモンド80％，グラファイ
ト20％と膜質が悪いものであった。
のまま、５時間反応を行ったところ、ほぼ第１図と同様
の曲線を描いたが膜質がダイヤモンド80％，グラファイ
ト20％と膜質が悪いものであった。
このような結果から、本発明の製造方法が、核発生効率
を高め、ダイヤモンド膜の成長速度を高めるのに極めて
有効的であることが認識された。
を高め、ダイヤモンド膜の成長速度を高めるのに極めて
有効的であることが認識された。
本発明のダイヤモンド膜の製造方法によれば、ダイヤモ
ンド膜の生成工程を核生成工程と膜生成工程に分け、核
生成工程における水素ガスに対する炭素含有ガスの比率
を膜生成工程の比率よりも大となるように設定すること
によって、初期における核発生効率を極めて高めること
が可能となり、それによってダイヤモンド膜の成長速度
を高めることが可能となる。しかもダイヤモンド膜の膜
質も均質で、高純度のものが得られる。
ンド膜の生成工程を核生成工程と膜生成工程に分け、核
生成工程における水素ガスに対する炭素含有ガスの比率
を膜生成工程の比率よりも大となるように設定すること
によって、初期における核発生効率を極めて高めること
が可能となり、それによってダイヤモンド膜の成長速度
を高めることが可能となる。しかもダイヤモンド膜の膜
質も均質で、高純度のものが得られる。
本発明のダイヤモンド膜の製造方法は、量産比が求めら
れるダイヤモンド被覆切削工具をはじめ、ヒークシンク
用基板材料等あらゆる分野に適用することができる。
れるダイヤモンド被覆切削工具をはじめ、ヒークシンク
用基板材料等あらゆる分野に適用することができる。
第１図は本発明のダイヤモンド膜の製造方法における反
応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および膜
厚との関係を示す図、第２図は従来の製造方法における
反応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および
膜厚との関係を示す図である。
応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および膜
厚との関係を示す図、第２図は従来の製造方法における
反応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および
膜厚との関係を示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを50
0乃至1300℃に加熱した基板表面に導入して、該基板上
にダイヤモンドを含む核を生成させる核生成工程と、該
核からダイヤモンドを成長させダイヤモンド膜を生成さ
せる膜生成工程から成るダイヤモンド膜の製造方法であ
って、前記核生成工程における水素ガスに対する炭素含
有ガスの比率が前記膜生成工程における比率よりも大で
あることを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10152286A JPH0723279B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10152286A JPH0723279B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62256795A JPS62256795A (ja) | 1987-11-09 |
| JPH0723279B2 true JPH0723279B2 (ja) | 1995-03-15 |
Family
ID=14302829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10152286A Expired - Lifetime JPH0723279B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0723279B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01138198A (ja) * | 1987-11-26 | 1989-05-31 | Nec Corp | ダイヤモンド膜の製造方法 |
| JP2852380B2 (ja) * | 1988-03-26 | 1999-02-03 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 炭素または炭素を主成分とする被膜を形成する方法 |
| JPH04219396A (ja) * | 1988-07-02 | 1992-08-10 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | ダイヤモンド膜作成方法 |
| US5200231A (en) * | 1989-08-17 | 1993-04-06 | U.S. Philips Corporation | Method of manufacturing polycrystalline diamond layers |
| US6063149A (en) * | 1995-02-24 | 2000-05-16 | Zimmer; Jerry W. | Graded grain size diamond layer |
-
1986
- 1986-04-30 JP JP10152286A patent/JPH0723279B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62256795A (ja) | 1987-11-09 |
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