JPH0768079B2 - ダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents

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、ダイヤモンド膜の特性を向上せしめ且つその膜形成
速度を大きくしたダイヤモンド膜の製造方法に関するも
のである。

〔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成長法が研究されている。

この化学気相成長法は、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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし乍ら、ダイヤモンド生成用ガスに炭化水素及び水
素から成る混合ガスを用いた場合、ダイヤモンドの生成
速度が小さく、約１μｍの膜厚を得るのに３〜４時間も
の反応を要しているのが現状である。

更に、このプラズマCVD法により得られたダイヤモンド
膜は非晶質または、黒鉛状炭素を含むことが多く、ダイ
ヤモンド自体の優れた特性、例えば高硬度特性等が十分
に発揮されておらず、その特性の一層の向上が望まれて
いる。

〔発明の目的〕

従って、本発明は叙上した問題を解決することを主たる
目的とするものであって、具体的にはダイヤモンドの生
成速度を高めて製造コストを低減せしめるとともに、高
硬度など優れた特性を有するダイヤモンド膜の製造方法
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

即ち、本発明によれば、内部に基体が設置された反応室
内に、水素と、少なくとも水素、炭素および酸素原子を
含む酸素含有有機化合物と、O₂、CO、CO₂、H₂O₂、NO₂、
NO、N₂Oの群から選ばれる少なくとも１種の酸素含有ガ
スとから成るダイヤモンド生成用ガスを導入するととも
にプラズマを発生させ、前記ガスの分解により前記基体
上にダイヤモンド結晶を析出させることにより、上記目
的が達成される。

以下、本発明を詳述する。

本発明に係るプラズマCVD法によれば、プラズマ空間の
電子は、イオン、中性分子種に比べて著しく大きな運動
エネルギーをもっている。そのために、プラズマ空間で
水素や炭化水素がこの電子と衝突して励起し反応の活性
エネルギーの相対低下と共に反応が促進される。更に水
素および炭化水素が分解してそれぞれ水素原子、メチル
ラジカルとなり、所定の温度に加熱された基体の表面に
て炭素原子が規則的に配列することによりダイヤモンド
が析出するものである。

ダイヤモンド生成用ガスとしては従来から炭化水素に水
素を加えたものが使用されているが、この水素は水素プ
ラズマを発生させて水素原子、メチルラジカルを効率的
に発生させたり、或いはダイヤモンド膜が形成するのに
伴って生じる黒鉛状炭素と反応し、これを除去するよう
に働くものである。

しかしながら、プラズマ空間中において活性化した炭化
水素や炭素は水素ガスや水素原子と衝突して再結合等を
起こし、その活性が失われている。

そのため多くの炭化水素が基体に達してもダイヤモンド
を生成するのはごく一部の炭素にすぎず、大部分がプラ
ズマ空間に再放出されている。

そこで、本発明者は先にダイヤモンド生成用ガスとして
酸素含有有機化合物を用いることによりプラズマ空間中
にO^-、OH^-のイオン種が生成され、これらが炭化水素と
反応して活性化が促進され、その結果ダイヤモンド膜の
生成速度を大幅に向上することができるとともに成膜に
伴って取り込まれようとする水素が引き抜かれ、その結
果、膜のダイヤモンド特性を顕著に向上させることがで
きることを提案した。

ここで用いられる酸素含有有機化合物においては、用い
る化合物によって、一分子当りの酸素原子数（Ｏ）／炭
素原子数（Ｃ）比が異なり、しかもこの比が小さいもの
においてはO^-、OH^-のイオン種の生成量が少ないために
十分な効果を発揮し得ない場合があることが判った。

そこで本発明によれば、酸素含有有機化合物に加えて酸
素源として、一分子当りの酸素原子数の大きい酸素含有
ガスを混合することにより、酸素原子による効果を十分
に高めるものである。

本発明において用いられる酸素含有有機化合物として
は、少なくとも炭素、水素および酸素の原子を構成元素
とするメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノ
ール等のアルコール類、メチルエーテル、エチルエーテ
ル、エチルメチルエーテル、メチルプロピルエーテル、
エチルプロピルエーテル、フェノールエーテル、アセタ
ール、環式エーテル（エチレンオキシド、ジオキサンな
ど）のエーテル類、アセトン、ピナコリン、メシチルオ
キシド、芳香族ケトン（アセトフェノン、ベンゾフェノ
ンなど）、ジケトン、環式ケトン等のケトン類、ホルム
アルデヒド、アセトアルデヒト、ブチルアルデヒド、芳
香族アルデビド（ベンズアルデビドなど）等のアルデヒ
ト類、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、コハク酸、酪酸、し
ゅう酸、酒石酸、ステアリン酸等の有機酸類、酢酸メチ
ル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等の酸エス
テル類、エチレングリコール、トリエチレングリコー
ル、ジエチレングリコール等の二価アルコール類等が挙
げられ、これらの中でも炭化水素と同様常温で気体であ
るメチルエーテル、エチレンオキシドもしくは蒸気圧の
高いメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノー
ル、メチルアルコール、エチルエーテル、エチルメチル
エーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエ
ーテル、アセトン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒ
ド、ブチルアルデヒド、蟻酸、酢酸、酢酸メチル、酢酸
エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等が望ましい。

また、酸素含有ガスとしては、O₂、CO、CO₂、H₂O₂、N
O₂、NO、N₂Oの群から選ばれる少なくとも１種の酸素含
有化合物が挙げられる。

さらに、水素はその一部をアルゴンやヘリウムなどの不
活性ガスで置換することも可能である。

これらのダイヤモンド生成用ガスは、ガス成分の比率お
よび流量を所定の範囲に設定することが望ましい。即
ち、単位時間当りにダイヤモンド生成用ガスとして系内
に導入される全水素原子数を（Ｈ）、全炭素原子数を
（Ｃ）、全酸素原子数を（Ｏ）としたとき、次式 0.0005≦（Ｃ）／（Ｈ）≦２、0.0005≦（Ｏ）／（Ｃ）
≦４ 特に、 0.001≦（Ｃ）／（Ｈ）≦0.5、0.001≦（Ｏ）／（Ｃ）
≦1.2 を満足するように水素、酸素含有有機化合物、酸素含有
ガスのガスの種類およびその流量を設定することが望ま
しい。

更に、本発明によれば、ダイヤモンド膜が生成される基
体の温度及び成膜中のガス圧を所定の範囲に設定するの
がよい。

本発明者の実験によれば、基体温度を400〜1400℃の範
囲に、またガス圧を10^-5〜100Torrの範囲に設定するこ
とにより本発明の目的が達成できることを確認した。

本発明に係るプラズマCVD法は、プラズマ発生手段によ
り種々の方法があり、例えば高周波プラズマCVD、マイ
クロ波プラズマCVD、電子サイクロトロン共鳴（ECR）プ
ラズマCVDなどがある。本発明はこれらいずれの方法に
おいても同様な効果を得ることができるものである。

本発明における酸素含有ガスの添加効果は、本発明者の
実験によれば、構成原子のうち酸素原子数の炭素原子数
に対する比が0.5乃至1.2の酸素含有有機化合物を用いる
場合に特に顕著である。

以下、本発明を次の例で説明する。

〔実施例〕

ダイヤモンド膜形成法として、マイクロ波プラズマCV
D、高周波プラズマCVD、ECRプラズマCVDを用いて下記の
方法に従ってダイヤモンド膜を生成した。

〔マイクロ波プラズマCVD〕 マイクロ波プラズマCVD法に基づいて、2.45GHzのマイク
ロ波を用いて成膜するに当たってダイヤモンド生成用ガ
スを第１表に示す通りに導入し、基体温度を900℃に設
定するとともにガス圧も第１表の値に設定しながらプラ
ズマを発生させ、ダイヤモンド膜を生成した。

〔高周波プラズマCVD〕

反応室としての石英管の外側に高周波電流用コイルを４
回巻きに形成し、その内部には850℃に設定してある基
体を設置した。高周波プラズマCVD法に基づいてコイル
に13.56MHzの高周波電流を流すと共に石英管内部にダイ
ヤモンド生成用ガスを第１表に示す通りに導入するとと
もにガス圧力を設定し、プラズマを発生させ、ダイヤモ
ンド膜を生成した。

〔ECRプラズマCVD〕

本出願人が特開昭58−208006号公報にて提案したような
ECRプラズマCVD法にイオンビームを組み合わせた方法に
基づいてダイヤモンド膜を形成した。そして、ダイヤモ
ンド生成用ガスおよびガス圧力を第１表に示し通りに導
入し、基体温度800℃に設定しながらプラズマを発生さ
せ、ダイヤモンド膜を生成した。

かくして得られた各々のダイヤモンド膜について走査型
電子顕微鏡による析出速度、マイクロビッカースによる
硬度を測定した。

測定結果は第１表に示す。

第１表から明らかな通りダイヤモンド生成用ガスとして
水素および炭化水素から成る従来の方法（No.1）によれ
ば、析出速度0.4μm/hr、ビッカース硬度Hv6,700である
のに対し、本発明の試料（No.2〜10）はいずれも析出速
度、ビッカース硬度共に上回わるものであった。これら
の実施例の中でも（Ｃ）／（Ｈ）比が0.0005〜２、
（Ｏ）／（Ｃ）比が0.0005〜４の範囲の試料（No.3〜1
0）では析出速度１μm/hr以上、ビッカース硬度7500以
上が達成された。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、プラズマCVD法に
よってダイヤモンド膜を生成させるに当たり、ダイヤモ
ンド生成用ガスに少なくとも水素、酸素含有有機化合物
および酸素含有ガスを用いることによって水素と酸素含
有有機化合物の組み合わせの場合と比較して用いる有機
化合物の種類によって決定されるO/C比を細かく制御す
ることが可能となり、生成用ガス中への酸素添加効果を
十分に発揮し得るものである。これにより、ダイヤモン
ドの析出速度を十分に向上させるとともに良質のダイヤ
モンドを得ることができる。

なお、本発明の製造方法はダイヤモンド被覆した切削工
具の製造や、ヒートシンクの製造の他、高硬度、耐摩耗
性等が要求される機械部品等あらゆる分野に応用され得
るものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に基体が設置された反応室内に、水素
   と、少なくとも水素、炭素および酸素原子を含む酸素含
   有有機化合物と、O₂、CO、CO₂、H₂O₂、NO₂、NO、N₂Oの
   群から選ばれる少なくとも１種の酸素含有ガスとから成
   るダイヤモンド生成用ガスを導入するとともにプラズマ
   を発生させ、前記ガスの分解により前記基体上にダイヤ
   モンド結晶を析出させることを特徴とするダイヤモンド
   膜の製造方法。